苑世輝

德州市產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)計量研究院 山東德州 253000

1 噴管位置對引射能力的影響

1.1 控制方程與湍流模型

環(huán)形套筒窯噴射系統(tǒng)利用高壓的驅(qū)動風(fēng)來引射內(nèi)套筒中的高溫?zé)煔?，兩股流體在混合室內(nèi)混合并在擴(kuò)壓室內(nèi)增壓后進(jìn)入下燃燒室參與燃燒。流體的流動及不同組分（空氣、煙氣）的流體之間的互相摻混屬于湍流擴(kuò)散問題，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε 雙方程模型來進(jìn)行求解，該數(shù)模由Launder 和Spading 于1972 年提出，控制方程包括連續(xù)性方程、質(zhì)量守恒方程、能量守恒方程、動量守恒方程和k-ε方程。由于環(huán)形套筒窯噴射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸較大，被引射流體為高溫?zé)煔?，煙氣中含有粉塵，為了便于分析，在建立模型前對流體作以下假設(shè)，被引射流體為不可壓縮理想流體，噴射系統(tǒng)中的流體流動為穩(wěn)態(tài)湍流，噴射器壁面滿足無滑移邊界條件[1]。

1.2 模型建立

（1）幾何模型。噴射系統(tǒng)工作流體為空氣，根據(jù)現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)分析，其進(jìn)口壓力設(shè)為45K-Pa。引射流體為空氣，引射入口處壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。由于兩股流體從噴射系統(tǒng)出來后進(jìn)入下燃燒室內(nèi)參與燃燒，因此出口即為下燃燒室內(nèi)負(fù)壓，設(shè)為-100Pa。噴射系統(tǒng)三維模型如圖1 所示。

圖1 噴射系統(tǒng)三維模型示意圖

（2）網(wǎng)格劃分。噴射系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相對較簡單，因此本文采用圖1 噴射系統(tǒng)三維模型CFD 前處理工具-Gambit 進(jìn)行建模和網(wǎng)格劃分，然后將輸出的mesh 文件導(dǎo)入Fluent 中進(jìn)行計算。本文建立的噴射系統(tǒng)模型除引射入口段與噴射器主體連接的體結(jié)構(gòu)不規(guī)則外，其他部位均為規(guī)則體，因此，不規(guī)則體采用T-Grid 生成四面體網(wǎng)格，規(guī)則體部分生成六面體網(wǎng)格[2]。

（3）邊界條件。Fluent 中提供的邊界條件可分為四大類：①流動的進(jìn)口和出口邊界條件；②壁面、重復(fù)性和奇性軸邊界條件；③內(nèi)部單元區(qū)域；④內(nèi)部面邊界。本文模型的進(jìn)、出口均選擇壓力邊界條件，驅(qū)動空氣進(jìn)口水力直徑為158mm，引射入口水力直徑為650mm，出口水力直徑為700mm。

本文主要研究噴射管出口與混合室入口之間的距離的不同對驅(qū)動空氣引射流體能力的影響，在模型建立時，分別選擇噴射管出口與混合室入口距離L 為100mm、150mm、200mm、250mm、300mm、350mm 和400mm，并通過噴射器吸入室內(nèi)的速度分布和引射比來判斷最佳距離。

1.3 Fluent 模擬結(jié)果討論

（1）速度矢量圖分析。本次模擬采用的三維模型，為了方便分析，選擇中心軸Y=0 截面的速度矢量圖對比分析。由于壓力相同，計算結(jié)果選擇吸入室及噴射管出口段位置進(jìn)行分析。

高壓的驅(qū)動空氣在噴射管出口處，壓力勢能轉(zhuǎn)化為動能，形成高速的流體噴出，在噴射管出口形成低壓區(qū)，從而將引射入口的流體抽吸進(jìn)吸入室，可以明顯看出噴射管出口的速度最大。當(dāng)噴射管出口與混合室入口之間的距離L 從100mm 變化到400mm 過程中，速度矢量最大值先增加后減?。划?dāng)L=250mm 時，平面內(nèi)速度矢量最大值達(dá)到峰值，約為231．3m/s。

（2）引射效果分析。噴射器的引射比是指引射流體的質(zhì)量流量與工作流體的質(zhì)量流量之比，即uGH/GP 它是噴射器工作的主要指標(biāo)之一，用來衡量噴射器引射能力。分別計算不同L 對應(yīng)的引射比，當(dāng)噴射管與混合室入口距離在100-400mm 范圍內(nèi)變化時，噴射器引射比先變大后減小，并當(dāng)L=250mm 時，引射比達(dá)到最大值，即此時噴射器引射性能最優(yōu)[3]。

圖中同時將噴射管出口面中心速度作為變量列入圖中，當(dāng)L=250mm 時該速度達(dá)到最大值為278m/s，較高的速度產(chǎn)生了強(qiáng)負(fù)壓區(qū)，引射能力增強(qiáng)。從結(jié)構(gòu)上看，與L=100mm 相比，L=250mm 時噴射管出口對應(yīng)的喇叭口吸入室的截面積有所增加，而隨著L 的繼續(xù)增加，盡管對應(yīng)的出口吸入室截面積有所增加，但是噴射管出口處的工作流體速度卻減小了，綜合因素影響下引射空氣量亦相應(yīng)地減少。

2 風(fēng)機(jī)電機(jī)頻率對引射系統(tǒng)的影響

環(huán)形套筒窯的引射系統(tǒng)動力源來自于羅茨風(fēng)機(jī)提供的高壓驅(qū)動空氣，一般系統(tǒng)設(shè)計采用兩臺風(fēng)機(jī)，一臺工頻一臺變頻，兩臺風(fēng)機(jī)并聯(lián)連接到管路中，根據(jù)系統(tǒng)對驅(qū)動風(fēng)風(fēng)壓和流量的要求調(diào)節(jié)變頻風(fēng)機(jī)電機(jī)的頻率來實現(xiàn)。電機(jī)頻率的大小與管路風(fēng)壓、風(fēng)量的關(guān)系對引射系統(tǒng)的條件和控制有很大的影響。

3 結(jié)語

噴射系統(tǒng)作為環(huán)形套筒窯形成并流煅燒帶的核心裝置，其設(shè)計的優(yōu)劣關(guān)系著整個系統(tǒng)能否很好的運(yùn)行。本文依靠CFD 模擬技術(shù)，研究噴射管出口與混合室入口之間的距離對引射比的影響，對于給定的噴射器模型，在設(shè)定的邊界條件下，存在一個最佳的距離使得引射比最大。當(dāng)噴射系統(tǒng)的性能提高后，等量的驅(qū)動空氣條件下可以引射更多的高溫?zé)煔?，從而為下燃燒室實現(xiàn)無煙燃燒技術(shù)提供必要的環(huán)境條件，最終達(dá)到減低窯系統(tǒng)熱耗的目的。