气固两相流在燃烧器中的应用

气固两相流在燃烧器中的应用
1、气固两相流的基本理论
不管何种型式的燃烧器，其内流动的本质都是气固两相流动。

因而，要改进燃烧器，必须对气固两相流动的规律有深入的理解。

2、气固两相流的基本特点
单相气流中只有气体的存在，但是在锅炉内的气流中都存在一定浓度的固体颗粒，而且各处的固体颗粒浓度存在差异，这就使得炉内的燃料颗粒流动变的相当复杂。

一般来说，有以下主要的特点:
(1)气体分子分布均匀，而燃料颗粒是分散的、且直径大小不同，为了简便起见，人们通常仅仅考虑一个平均尺寸。

(2)燃烧装置中颗粒浓度一般不大，所以颗粒相一般不能作为连续介质。

(3)颗粒相的惯性较大，气体和颗粒间存在着速度的滑移，因而各自运动规律相互会产生影响。

(4)颗粒之间及颗粒和壁面的碰撞和摩擦可以产生静电效应。

在不等温的热流中还存在着热泳现象。

(5)由于颗粒尺寸大小不一，形状也不同，使得每个颗粒都有不同的速度。

(6)在有压力梯度、速度梯度存在的流场中，颗粒经常处于加速或者减速的不稳定状态，颗粒间及与管壁间相互碰撞等都会引起颗粒的高速旋转，产生升力效应。

(7)颗粒的湍流扩散系数和气体不同，因而其横向扩散运动的特点也不一样。

小颗粒的扩散速率比大颗粒的扩散速率大。

3、气固两相流的分类
工程中的两相流种类繁多，结构复杂，从空气动力学的特征出发，可以分为稀相两相流和浓相两相流。

这是以颗粒在气相中的含量多少来区分的，通常认为稀相两相流中颗粒的浓度不大，使得颗粒的存在对气相运动的影响不大，颗粒相的运动规律基本与相一致，只要把气相和固相运动的相互影响加以修正就可以了。

浓相两相流动就是颗粒相浓度增加到一定数值以后，对气相的流动形成了很大影响，这时候用气相流动方程就很难准确的加以描述。

一般来说，颗粒的浓度小于lkg/kg空气时，可以认为是稀相两相流，反之就是浓相两相流。

对于浓相气固两相流，气相决定着固相运动，固相对气相的影响也不可以忽略，这种情况称为双向祸合(Two-Way Coupling)。

稀相两相流的颗粒相对气相影响很小，可以忽略不计，但是气相场决定这颗粒的轨迹和其他参数的变化，这种情况称为单向祸合(One-Way Coupling)。

4、气固两相流的特性参数
由于气固两相流中增加了颗粒相，流动中存在着一个形状与分布随机可变的相界面。

而各个相之间又存在着一个不可忽略的相对速度，导致了流经管道的分相流量比和分相所占的管截面比不相等。

因此描述气固两相流的流动特性参数比气体单相的流动特性参数要复杂很多。

主要的参数有:两相浓度(各相所占的相对容积，重量等)、空隙度(流体所占的体积与整个两相流体的总体积之比)、两相密度(各相的总重量与总体积的比)，比面积(分散颗粒相的表面积与其体积之比)、以及两相粘度、两相比热、两相导热系数和颗粒的松弛时间等。

除此，还有其他的一些参数，如两相流体的密度，颗粒平均尺寸等。

5、工程气固两相流模化实验的原理
气固两相流进行模化时，首先要做到几何相似，其次要使雷诺数相等或者气流达到自模化区，另外，还要做到单值条件相似，即达到流动相似。

为了使模型与原型中的两相流动相似，还必须要遵循一定的准则。

气体湍流流动时的相似准则
用于描述两相运动的相似准则有:
当分散相用平均直径来模化的时候，还应该遵守以下条件:n1=idem, Ce=idema。

n1是和颗粒粗细分布性质有关的系数，Ce是固体粉体浓度。

要同时满足以上的所有准则是很困难的，应该根据实际情况采取近似模化的方法，通常作如下的简化:
(1)如果炉内流动过程是稳定的，可以不考虑均时性准则。

(2)在几何相似的条件下，当气流流动达到自模化以后，湍流准则也基本上达到了自模，如果此时满足阻力处于同一区域，那么气流脉动对燃烧颗粒的影响也可以近似得到相似。

(3)如果能满足进口条件相似，则意味着，w p/w g = idem和Ce = idem能得到遵守;n1=idem 也能得到遵守。

(4)要求遵守准则ρp/ρg= idem，在等温模化中用相同的物质就可以做到。

综上所述，简化可得到两相流动的近似模化中，应遵守的相似准则为:Fr, St和Re(或者处于相同的流动阻力区)。

6、气固两相流的试验测试技术
在锅炉的调试和运行过程中，常会遇到两相流的取样和测量的问题。

如果想知道各种燃烧器内部的煤粉颗粒和空气的温度、速度浓度等，就必须对两相流进行采样测量和分析。

目前已经有很多的测量两相流的方法，例如可以利用灰粒对光线的光谱吸收特性制成光学测量装置，可以利用静电效应、超声波、激光或者其他的方法测量。

需要测量的两相流参数主要有:颗粒和气流的速度、浓度及温度.颗粒粒径等物理量。

常见的颗粒速度测量方法有取样法、动量法、相关法和激光多普勒法。

可以用各种气力探针、热电风速仪和叶轮风速计以及激光测速的方法来测量气流速度，还可以用飘带法和示踪法来得知速度的方向。

流量的测量包括速度法、节流法、示踪法、质量流量法和温度法。

目前的测量气固两相流的方下去很多，大多是利川颗粒的各种物理性质，例如比色法、光电法、电容法、静电法、超声法γ射线法等等。

日前工业上用的主要测温装置，有辐射式温度计和接触式温热电偶两种:可以用PDA测量颗粒的粒径分布。

7、煤粉燃烧器内气固两相流的研究现状
从80年代后期开始，国内的很多高校和研究机构对燃烧器内的气固两相流动进行了研究，清华大学、浙江大学、华中理工大学和哈尔滨工业大学等，都对气固两相流动的研究做出了很多卓有成效的工作。

近年来由于计算机技术日新月异的发展，给数值模拟带来了无限生机，气固两相流数值模拟的对象和深度都达到了一个崭新的台阶。

在对湍流气相场进行数值模拟时，得到最广泛应用的是k-ε模型。

在能满足工程需要的前提下，它也是最简单有效的双方程模型。

但是在许多流动较复杂的工程实际中，k-ε模型的计算结果会和实际情况产生较大的误差。

所以，很多学者又提出了对k-ε模型的改进和修正。

对于气固两相流动，在模拟时或者把颗粒群当作拟连续介质或者拟流体，或者把颗粒群看作离散体系。

颗粒拟流体模型的核心问题是颗粒湍流模型，目前一般采用两种方法:一种是基于颗粒追随流体脉动概念的Hinze-Tchen颗粒湍流代数模型(A p模型);第二种是颗粒湍动能方程模型(k p模型)。

除此之外，还有统一的二阶矩模型(USM) 及基于统计方法的PDF模型。

综上所述，尽管许多研究人员对燃烧器的气固两相流问题做了研究。

但这些工作中，对于气相场模拟的时候，采用的大多数都是基于“有效粘度”的湍流模型。

由于强旋的两相流动呈现出典型的各向异性，即使对k一二模型进行过修正，模拟的结果仍然不能让人满意，特别是对回流区的预报。