配风比对燃油燃烧器燃烧过程影响的数值模拟

Ｖ０１．２６Ｎｏ．１安徽工业大学学报（自然科学版）

Ｊ．０ｆＡｎｈｕｉＵｎｉｖｅｒｓｉ锣ｏｆＴｂｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅ）第２６卷第ｌ期２００９年１月・Ｊａｎｕａｒｙ２００９

文章编号：１６７１—７８７２（２００９）０１—０００５—Ｄ４

配风比对燃油燃烧器燃烧过程影响的数值模拟

邱冰冰，杨步云。李文科

（安徽工业大学冶金与资源学院，安徽马鞍山２４３００２）

摘要：模拟燃烧器不同配风比状况下的燃烧器内温度场分布，分析燃烧器燃烧过程的火焰结构温度。模拟结果表明：配风比为一次风量（ｃ。）占总风量（Ｇ）的３０％，二次风量（Ｃ：）占总风量的７０％时，火焰结构和火焰温度分布最合理。

关键词：燃烧器；数值模拟；温度场

中图分类号：１１ｍ８７文献标识码：Ａ

ＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＰｒｏｃｅｓｓｏｆＦｌｌｅｌＣｏｍｂｕｓｔｉｏｎｉｎｔｈｅ

ＢｕｍｒｅｗｉｔｈＤｉｆｆｂｒｅｎｔＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆＷｉｎｄ

ＱＩＩＪＢｉｎ＿ｂｉｎ，ＹＡＮＧＢｕ＿ｙ呻，ＬＩＷｅｎ—ｋｅ

２４３００２，Ｃｈｉｎａ）

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ａｒｅｔＩｌｅｎａｍｅｓｔｍｃｔｕｒｅａｎｄｔｅｍｐｅｍｔｕｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ

Ｋｅｙｗｏ州Ｉｓ：ｂｕｍｅｒ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｔｌｌｅｍｏｓｔｒａｔｉｏｎａｌｗｈｅｎＧｌ－０．３Ｇ，Ｇ产０．７Ｇ．ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄ

燃烧器是钢铁冶金、石油化工工业的主要燃烧设备埘。燃料在燃烧器内的流动和燃烧过程是一个包括流动、传热、传质和化学反应以及它们之间相互作用的复杂的物理和化学过程，涉及到多相流动、传热传质和化学反应动力学等学科。由于高温不易测量，以及流场、温度场的复杂性，对燃烧器内部燃烧和传热规律的研究十分困难。随着紊流流动和燃烧模型的不断完善以及计算机技术的不断发展，数值模拟的方法在国内外已逐步成为研究燃烧过程的常用方法。现代燃油燃烧器都是采用多级的配风方式刚。文中用数值模拟的方法分析配风比对液雾燃烧过程的影响。

１模型的建立

旋流燃烧器的模型如图１所示，模型由一次风管，

一次风箱，旋流器，烧嘴砖，二次风管，二次风箱，燃烧

室和大燃烧空间组成。

一次风经过旋流器后，与油雾混合；二次风通过二

次风箱的均压作用后，由二次风箱和燃烧室之间的入

口喷入，二次风的作用在于使油雾和空气能够充分混

合均匀。模型的基本参数如下：

（１）燃烧器的结构参数：一次风管直径为１００ｍｍ；二

次风管直径为１５０ｍｍ；旋流强度为３．１５６；大燃烧空间尺寸为３０００

燃烧器的风口总数为１２８个；直径为３５ｍｍ；长为１００

收稿日期：２００８—０５—２３

ｍｍ。图ｌ旋流燃烧器模型ｍｍｘｌ０００ｍｍ×１０００ｍｍ；连接二次风箱和

作者简介：邱冰冰（１９８５一），女，安徽宿州人，硕士生，主要研究方向：热工过程系统仿真与最优化控制。

６安徽工业大学学报（自然科学版）２００９年（２）操作运行参数：空气采用预热空气，温度为６００Ｋ；空气总量为０．０４ｋ酌，空气人口为质量入口；油从８个喷口喷入，每个喷口的质量流量为０．００５ｋ酌。

２液雾燃烧控制方程及计算模型．

计算中采用修正的后一占紊流模型、紊流燃烧的ｐｒｅＰＤＦ快速反应模型、离散坐标辐射换热模型和液滴蒸发模型、颗粒相的随机轨道模型来封闭液雾燃烧时的平均方程组嗍。

２．１燃烧过程的基本控制方程组

假定流动为不可压缩稳定流，由于存在旋流，紊流是各向异性，而标准的后一占模型中粘度系数是各向同性的，所以湍流运动采用修正的后噌方程，即ＲＮＧ｜｜｝噌模型。其控制方程包括连续性方程、动量方程（３个方向）、能量方程、修正的露方程和ｓ方程。

２．２液雾蒸发模型

在液雾颗粒相的控制方程中需要确定液滴的蒸发速率。文中采用“折算薄膜”理论：先不考虑蒸发和燃烧，假定液滴周围有一个厚度有限的球壳形气层，即驻膜，其中的球对称导热与实际的对流换热等价；第二步考察这一驻膜内的球对称蒸发和燃烧。用这种理论来求解单个液滴的蒸发速度、通风对单个液滴蒸发过程中能量方程和组分扩散方程的求解嘲，可得到液滴蒸发速率的表达式：ｍ：碱盹声ｌｎ【ｌ＋螋】ｃｐ口ｃ

式中：ｍ－液滴蒸发速度；ｄ广液滴直径，ｍ；＾ｋ厂无蒸发无燃烧的球对称导热的努赛尔数；Ａ一导热系数。Ｗ，（ｍ－Ｋ）；ｃｐ一比热经验常数，Ｊ／（ｋｇ－Ｋ）；野一液滴表面温度，Ｋ；呲相温度，Ｋ；ｇ广热流密度，ｗ脐。

３网格的划分与求解方法

本研究的燃烧器结构复杂，故对燃烧器进行分割，把燃烧器分为５个部分：一次风区间，旋流器区间，烧嘴砖区间，二次风区间和燃烧空间。网格划分图如图

２所示。

考虑工程实际，设定空气为质量进口，出流边界条

件不能与压力进口边界条件一起使用，故燃烧空间的

出口面设为压力出口，其余为恒温壁面，即第一类边界

条件。一、二次风为质量流人口，采用的是预热空气，温

度为６００Ｋ，出口为压力出口，回流温度设定为６００Ｋ，

其中湍流强度按扛０．１６僻ｅＤｕ）‘墉计算１９．姗。

控制方程采用有限体积法。存在负压，故对压力离

散格式采用ＰＲＥＳＴＯ！。对流项采用一阶迎风格式。压

力一速度耦合采用ｓＩＭＰＬＣ法求解ｆｎｑ３１。在壁面外，考虑

紊流输运的减弱和层流的增强对流体输运性质的影

响，采用壁面函数法求解。通过观察残差变化选择合适图２燃烧器的三维网格图

的欠松弛因子。可调整动量松弛因子来加速收敛速度。

４模拟结果分析

合理的配风比使燃烧器内氧浓度较合理的分布，

氧浓度的合理分布直接表现为燃烧火焰的稳定和温度

及产物的分布，故通过改变一、二次风的比例寻找最佳

的燃烧器配风比。不同配风比时燃烧器模拟的温度场

结果如图３（油的总量Ｏ，０４ｋ幽，空气总量０．５６ｋ幽）。

（ａ）ＣＩ－Ｃ

第ｌ期邱冰冰等：配风比对燃油燃烧器燃烧过程影响的数值模拟７

（ｄ）ＧＩ＝Ｏ．３Ｇ【ｄ）ＧＩ＝ｏ．２Ｇ

图３‘不同配风比下的温度分布图

由图３（ｃ）可看到，火焰的最高温度在２４８０Ｋ左右，随着二次风量增大，火焰长度也加长，但是火焰在中心轴线上的温度却随着二次风量的增大而减小；就火焰的结构可以看出，二次风小时，火焰较短，火焰长度在２ｍ左右，二次风量占８０％时，火焰过长并且偏离轴向，火焰长度在３．５ｍ左右。对油燃烧器来说，一次风在喷雾锥的根部，油雾尚未着火就与之混合，可避免油雾着火时因缺氧而产生严重热分解，形成大量碳黑。．二次风的作用在于降低火焰温度，使液滴和空气混合均匀，燃烧在空间上拉长。

火焰温度随一次风量的变化比较如图４。从图４（ａ）可以看出，在沿中心轴线方向上，当一次风量占２０％时，火焰温度波动范围较大，火焰不稳定，随着一次风量的加大，在中心轴线上火焰的稳定性逐步降低。从图４（ｂ）可看出，Ｇ１－０．２Ｇ和Ｇ１－Ｏ．３Ｇ时火焰温度高，在２３００Ｋ左右，但Ｇｌ－Ｏ．２Ｇ时，温度在径向方向上波动较大，火焰不稳定，随着一次风量加大，温度逐步降低，即火焰长度随着一次风量的加大在逐步变短。

ｕＳ嚼赠《毯赠

距离，ｍ距离，ｍ

（淞中心轴线上（ｂ）中心轴石＝２ｍ处径向

图４温度分布比较图

５结论

合理的配风比使燃烧器内氧浓度分布较合理，．氧浓度的合理分布直接表现为燃烧火焰的稳定和合理分布。通过模拟结果可以看出，燃烧器的最佳配风比为一次风量占总风量的３０％，二次风量占总风量的７０％时，火焰结构和温度分布最合理。

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【１３】韩占忠，王敬，兰小平．ＦＬＵＥＮＴ流体工程仿真计算实例与应用【嗍．北京：北京理工大学出版社，２００４．

（上接第４页）

５结论

（１）“渣洗脱硫”是一种简便、快速、经济、有效的炉外精炼方法之一，特别适用于没有ＬＦ精炼炉的钢厂，或有ＬＦ精炼炉但生产节奏很快的钢厂的部分钢种。

（２）含ＢａＯ渣系是在原ｃａＯ基炉外脱硫剂的基础上，用ＢａＯ替代部分ＣａＯ的新型炉外脱硫剂，在加入量８ｋ趴的条件下，’７ｓ≥３５％。与原ＣａＯ基脱硫剂相比，脱硫率相对提高４０％。

（３）采用含ＢａＯ渣系炉外脱硫剂，除了能提高钢的质量之外，还可以使不少钢种无需经ＬＦ炉精炼，有利于降低炼钢成本，提高生产率。

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配风比对燃油燃烧器燃烧过程影响的数值模拟

作者：

作者单位：

刊名：

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年，卷(期)：

被引用次数：邱冰冰， 杨步云， 李文科， QIU Bin-bin， YANG Bu-yun， LI Wen-ke安徽工业大学冶金与资源学院,安徽,马鞍山,243002安徽工业大学学报（自然科学版）JOURNAL OF ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY(NATURAL SCIENCE)2009，26(1)0次

参考文献(13条)

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相似文献(10条)

1.会议论文 姚寿广.朱德书.李宗羲 文丘利油燃烧器内外部等温流场的数值模拟 1998

该文针对文丘利油燃烧器流场数值模拟存在的特殊性，提出了一种分析模型和处理方法，通过数值模拟结果与试验数据的对比分析，表明该文建立的模型及处理方法是令人满意的，据此进一步对某舰船锅炉文丘利油燃烧器的内外部等温流场进行了预测分析。

2.学位论文 罗渝东 低热值煤层气燃烧器的数值模拟与实验研究 2006

甲烷浓度在30﹪左右的煤矿井下抽放煤层气热值较低，研究开发适合这种煤层气高效清洁燃烧的专用燃烧器对缓解我国能源紧张、控制煤层气污染及合理利用煤层气资源具有很好的经济效益、社会效益和环境效益。

文中对三种低热值煤层气燃烧器进行了全尺寸的三维燃烧数值模拟和实验研究。模拟预测了燃烧器的流动和燃烧特性随结构和热负荷的变化规律；冷态实验研究了燃烧器内部流动阻力随燃烧器结构和负荷的变化规律；热态实验考察了燃烧区域的火焰特性和温度分布随燃烧器结构和热负荷的变化规律。

采用Realizablek-ε湍流模型、物质输运和漩涡耗散模型及P-1辐射换热模型对燃烧器进行燃烧模拟表明：完全预混式和部分预混式燃烧器燃烧效率都达到99.99﹪，扩散式燃烧器燃烧效率最低。部分预混式燃烧器燃烧温度高且高温区域分布广，射流刚性好，速度衰减慢，主流直径最小。完全预混式燃烧器燃烧温度最高，燃烧主要集中在喷口内部，主流受旋转射流影响大。扩散式燃烧器燃烧温度最低，速度衰减快。部分预混式和完全预混式燃烧器采用渐扩口燃烧效率更高，扩散式燃烧器采用渐缩口时燃烧效率更高。部分预混式燃烧器综合性能最佳。进一步的数值模拟考察了部分预混式燃烧器在不同喷口角度下的燃烧效率，结果预测当其喷口扩散角等于6.87°时的燃烧效率最高。

冷态阻力实验结果表明：完全预混式燃烧器内部流动阻力最大，扩散式燃烧器内部流动阻力最小，部分预混式燃烧器和扩散式燃烧器内部流动阻力特性相似。热态燃烧实验结果表明：三种燃烧器在不同热负荷下均能稳定燃烧，不回火、不脱火，有较宽的负荷调节能力。部分预混式燃烧器燃烧温度高，高温段距离长，火焰刚性好，火焰宽度小，火焰扩散角小。扩散式燃烧器火焰长，宽度大，火焰扩散角大。完全预混式燃烧器的火焰长度最短，中心轴上的燃烧温度降幅大。

数值模拟和热态实验结果基本吻合，证明数值模拟方法正确，模型选择合理，实验方法正确，结论可靠。为低热值煤层气燃烧器的工业应用和最终商业化奠定了理论与技术基础。

3.期刊论文 安恩科.周洪权 低NOx燃烧器燃烧特性的数值模拟 -锅炉技术2004,35(2)

研究对350MW电站锅炉采用低NOx燃烧器和常规直流煤粉燃烧器的燃烧过程进行了数值模拟.数值分析结果表明:炉内的最高温度出现在燃烧器上部附近,在此区域,锅炉采用低NOx燃烧器的火焰中心温度比常规燃烧器的要高出100℃多,而对应2种燃烧器的截面平均温度沿炉高没有明显的区别;燃烧器区域的截面温度场呈现出马鞍形分布,即炉膛中心和炉壁附近的温度较小,其二者中间环形区域的温度最高;周期性变化的一次风喷嘴截面的火焰平均温度较高,二次风喷嘴截面的火焰平均温度较小,二者相差300℃左右,炉膛的切圆直径在燃烧器上部附近最小,在燃烧器区域,切圆直径几乎为常数,在燃烧器的上部和下部区域,炉膛截面的切圆直径较大;低NOx燃烧器和常规直流煤粉燃烧器所对应的切圆直径,在燃烧器的上部附近,低NOx燃烧器相应的切圆直径要大一些,在其它的区域中二者相应的切圆直径没有明显的区别.

电站锅炉燃烧器是整个锅炉燃烧系统中的重要部件，其中气体－煤粉颗粒的两相流动特性对于炉内燃烧的效率和稳定性有着重要的影响，正确预报颗粒浓度以及各相速度和湍动能的分布，将有助于燃烧器结构和工况的优化设计。故而，开展与此相关的学术研究具有重要的工程意义。本文以某电厂新型浓淡直流煤粉燃烧器为研究对象，通过实验和数值模拟的方法对燃烧器内的冷态气固两相流动进行了研究。

首先，运用三维粒子动态分析仪（PDA）对燃烧器一次风通道内气固两相流场进行了测量，得到了燃烧器一次风通道内气固两相速度分布、湍动能分布和颗粒浓度分布。

再次，本文基于气固两相双流体湍流模型，运用自行发展的一套计算程序，对燃烧器内气体—颗粒两相流动进行了数值模拟。其中，根据稀相流动假说，采用单向耦合模型描述相间作用，并在固相方程中考虑了颗粒扩散效应。

通过对实验测量与数值模拟所得到的结果的比较分析，发现了该燃烧器设计的不合理因素，揭示了燃烧器内两相流动的机理以及其结构特征对于流场的影响,如：燃烧器内的双弯头效应和菱形障碍块的具体作用等。

最后，本文以实验测量和数值模拟的结果分析为依据，对燃烧器结构进行了优化设计，并通过数值模拟的手段验证了新设计的合理性。

5.期刊论文 张孝勇.王雨蓬.郭永红.唐宏.孙保民.黄其励.ZHANG Xiao-yong.WANG Yu-peng.GUO Yong-hong.TANGHong.SUN Bao-min.HUANG Qi-li 等离子燃烧器燃烧特性的数值模拟 -动力工程2005,25(6)

结合煤粉锅炉等离子燃烧器的结构特点,用数值仿真软件Fluent对套筒式等离子燃烧器的内燃特性进行了二维流动数值模拟,计算了一次风从燃烧器的等离子点火区到炉膛内的燃烧特性,并与实验和工程应用结果进行了比较.模拟结果表明:在等离子燃烧器喷口形成了"粉包火"的着火工况,降低了燃烧器喷口温度,改善了燃烧器的工作环境.该燃烧模拟结果与等离子燃烧器在某600MW机组现场应用以及在等离子热态试验台点火试验的结果基本吻合.图6表2参3

6.期刊论文 冀美萍.李燚.JI Mei-ping.LI Yi 基于燃烧器空气动力场数值模拟 -广州化工2009,37(4)

某化工厂锅炉由于炼厂干气的特点,燃烧器区域烟气温度过高,同时燃烧器不能及时得到冷却,造成燃烧器金属材料热疲劳加剧,燃烧器烧坏变形问题,文章通过计算流体动力学方法,针对两种不同结构燃烧器数值模拟了其空气动力场特性,根据计算结果提出了燃烧器设计改进思路.

7.学位论文 周孟 煤粉炉微油点火燃烧器的数值模拟 2008

我国的石油资源贫乏，国际原油的价格持续不断上升的趋势，而火电厂锅炉在启、停和低负荷稳燃过程中，需要消耗大量的燃料油，因此实现锅炉的无油和少油点火技术，对节约用油有着十分重要的作用。微油点火燃烧器是一种通过专门设计的燃烧器，用较少量的燃料油，点燃大量的煤粉，从而达到锅炉点火和低负荷稳燃的目的。它是一种以常用的高能点火器点燃气化小油枪，用燃料油燃烧产生的高温火焰点燃浓相煤粉气流，浓相煤粉气流再点燃稀相煤粉，从而实现了煤粉的逐级点火的过程。微油点火技术具有投资少、设备结构简单、维护量小以及节油效果显著的特点，已经广泛的应用到国内外多家电厂的大型锅炉机组中，对降低发电成本、节约油资源，增强国家能源安全有很大的重要意义。

本文首先介绍了微油点火燃烧器的基本构成，并且介绍了燃烧器各部分的点火原理，总结了微油点火燃烧器的点火技术和经济特点。然后，对商业软件FLUENT进行了简单的介绍，详细讲解了点火过程中的基本守恒方程，气相湍流流动模型中的k-ε模型，湍流燃烧的平衡混合分数/PDF模型，辐射模型中的P-1模型，焦炭燃烧的动力扩散模型，挥发份析出的双匹配速率模型以及颗粒跟踪的随即轨道方法。其次，选择合适的方程和数学模型对小油枪的燃燃烧进行了模拟，分析了其温度场和速度场的分布，结果显示油燃烧室出口火焰温度和速度，从中心到壁面都是逐渐降低的，呈抛物线形状分布，将温度和速度拟合成方程作为微油点火燃烧器数值模拟的入口边界条件。并且对不同工况下油燃烧进行了模拟，得出了不同旋流强度和不同雾化角对燃烧产生的影响。再次，结合微油点火燃烧器的结构特点，对轴向和径向结构的微油燃烧器进行了数值模拟，得出了一些能反应微油燃烧器点火特性的重要参数的分布，如温度场、速度场、CO2和CO质量分数等，从而对微油燃烧器点火特性进行系统的研究。最后，对不同工况下的点火过程进行数值模拟，并对点火特性进行比较，分析了一次风、煤粉浓度以、煤种变化以及油枪布置角对点火产生的影响，从而得出不同工况下微油燃烧技术的点火规律，并总结了微油点火燃烧技术的特性。

本文的研究结果对实现煤粉锅炉微油点火燃烧器的技术改进和设计提供了重要的理论指导意义。

8.期刊论文 苏俊林.徐晓英.王震坤.Su Junlin.Xu Xiaoying.Wang Zhenkun 切向鼓风式燃烧器三维流场的数值模拟 -冶金能源2008,27(3)

为了全面分析切向燃烧器的流动特性,利用商用计算软件STAR-CD对切向鼓风式扩散燃烧器进行了数值模拟.该燃烧器以液化石油气为燃料,采用标准k-ε模型和SIMPLE算法,预测了燃烧器内部空气动力场、压力场、湍动能及其耗散率等分布情况.计算结果表明,整个燃烧器内部流场是三维、非对称、有旋场.燃烧器混合效果较好,射流场内部沿流动方向存在着回流区,这不但有利于稳定燃烧,还能使着火提前,缩短火焰长度.

9.学位论文 崔玉周 金属纤维燃烧器头部特性数值模拟与分析 2006

随着能源问题和环境污染问题的日益突出，研究燃烧效率高、污染物排放低的燃气燃烧技术及燃烧器具显得尤其重要。作为近年出现的一种新型表面式燃气燃烧器，金属纤维燃烧器因其优良的特性赢得了国内外业内人士的青睐，有着广阔的发展前景。

本论文应用燃烧学、流体力学、数值模拟等相关知识，针对金属纤维燃烧器进行了基础性的研究，提出了一些作者自己的观点。

首先，介绍了金属纤维燃烧器的构造和工作原理，在此基础上对其特点及应用进行了总结，并对该燃烧器所涉及的金属纤维、预混设施、表面燃烧、燃烧器系统特性以及不同负荷下空燃比的控制等关键技术作了详尽的分析。

根据分流板的设置情况不同建立了四个不同的燃烧器头部物理模型，运用流体模拟计算软件FLUENT对各模型分别进行了混气和燃烧的模拟。然后，结合模拟结果，主要针对速度、质量分数和燃烧温度进行了对比分析。从而得出重要结论：一级分流板和二级分流板对于改善燃烧器头部混气和燃烧的均衡性都有很好的作用；相对于一级分流板而言，二级分流板的作用更明显。为以后进一步提高金属纤维燃烧器头部混气效果、改善燃烧状况提供了依据。

接着对金属纤维燃烧器头部典型结构进行了阻力特性分析，通过数学关系式说明了影响其头部阻力损失的各个因素，为该类型燃烧器设计和应用提供了参考。

最后，为以后这种燃烧器的进一步开发提出了几点建议。

10.期刊论文 李朝祥.吴承勇.郭威.LI Chao-xiang.WU Cheng-yong.GUO Wei 平焰燃烧器流场的数值模拟 -安徽工业大学学报（自然科学版）2006,23(1)

应用Fluent软件,研究平焰煤气燃烧器形成旋转射流方法和机理,采用标准k-ε模型对平焰燃烧器三维流场进行数值模拟.通过比较,数值计算结果与理论规律符合较好.可直观地显示平展气流的形成过程以及流速、压力和湍流的分布规律,为煤气平焰燃烧器的设计、研究提供了有效的研究方法和途径.用标准k-ε模型来预测旋转射流具有较高的准确性,通过数值模拟,可代替大量的实验探索,在很大程度上,缩小实验范围,节省人力物力,是一种经济有效的研究手段.

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Ｖ０１．２６Ｎｏ．１安徽工业大学学报（自然科学版）

Ｊ．０ｆＡｎｈｕｉＵｎｉｖｅｒｓｉ锣ｏｆＴｂｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅ）第２６卷第ｌ期２００９年１月・Ｊａｎｕａｒｙ２００９

文章编号：１６７１—７８７２（２００９）０１—０００５—Ｄ４

配风比对燃油燃烧器燃烧过程影响的数值模拟

邱冰冰，杨步云。李文科

（安徽工业大学冶金与资源学院，安徽马鞍山２４３００２）

摘要：模拟燃烧器不同配风比状况下的燃烧器内温度场分布，分析燃烧器燃烧过程的火焰结构温度。模拟结果表明：配风比为一次风量（ｃ。）占总风量（Ｇ）的３０％，二次风量（Ｃ：）占总风量的７０％时，火焰结构和火焰温度分布最合理。

关键词：燃烧器；数值模拟；温度场

中图分类号：１１ｍ８７文献标识码：Ａ

ＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＰｒｏｃｅｓｓｏｆＦｌｌｅｌＣｏｍｂｕｓｔｉｏｎｉｎｔｈｅ

ＢｕｍｒｅｗｉｔｈＤｉｆｆｂｒｅｎｔＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆＷｉｎｄ

ＱＩＩＪＢｉｎ＿ｂｉｎ，ＹＡＮＧＢｕ＿ｙ呻，ＬＩＷｅｎ—ｋｅ

２４３００２，Ｃｈｉｎａ）

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ｓｔｒｕｃｔｕｒｅＢｕｍｅｒｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｒｅｉｓｓｉｍｕｌａｔｅｄｗｉｔｌｌｄｉⅡｂｒｅｎｔｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｔｈａｔａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ０ｆｔｈｅｎａｍｅ８ｎａｌｙｚｅｄ．Ｂｙａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓ，ｔｈｅｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｉｓ

ａｒｅｔＩｌｅｎａｍｅｓｔｍｃｔｕｒｅａｎｄｔｅｍｐｅｍｔｕｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ

Ｋｅｙｗｏ州Ｉｓ：ｂｕｍｅｒ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｔｌｌｅｍｏｓｔｒａｔｉｏｎａｌｗｈｅｎＧｌ－０．３Ｇ，Ｇ产０．７Ｇ．ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄ

燃烧器是钢铁冶金、石油化工工业的主要燃烧设备埘。燃料在燃烧器内的流动和燃烧过程是一个包括流动、传热、传质和化学反应以及它们之间相互作用的复杂的物理和化学过程，涉及到多相流动、传热传质和化学反应动力学等学科。由于高温不易测量，以及流场、温度场的复杂性，对燃烧器内部燃烧和传热规律的研究十分困难。随着紊流流动和燃烧模型的不断完善以及计算机技术的不断发展，数值模拟的方法在国内外已逐步成为研究燃烧过程的常用方法。现代燃油燃烧器都是采用多级的配风方式刚。文中用数值模拟的方法分析配风比对液雾燃烧过程的影响。

１模型的建立

旋流燃烧器的模型如图１所示，模型由一次风管，

一次风箱，旋流器，烧嘴砖，二次风管，二次风箱，燃烧

室和大燃烧空间组成。

一次风经过旋流器后，与油雾混合；二次风通过二

次风箱的均压作用后，由二次风箱和燃烧室之间的入

口喷入，二次风的作用在于使油雾和空气能够充分混

合均匀。模型的基本参数如下：

（１）燃烧器的结构参数：一次风管直径为１００ｍｍ；二

次风管直径为１５０ｍｍ；旋流强度为３．１５６；大燃烧空间尺寸为３０００

燃烧器的风口总数为１２８个；直径为３５ｍｍ；长为１００

收稿日期：２００８—０５—２３

ｍｍ。图ｌ旋流燃烧器模型ｍｍｘｌ０００ｍｍ×１０００ｍｍ；连接二次风箱和

作者简介：邱冰冰（１９８５一），女，安徽宿州人，硕士生，主要研究方向：热工过程系统仿真与最优化控制。

６安徽工业大学学报（自然科学版）２００９年（２）操作运行参数：空气采用预热空气，温度为６００Ｋ；空气总量为０．０４ｋ酌，空气人口为质量入口；油从８个喷口喷入，每个喷口的质量流量为０．００５ｋ酌。

２液雾燃烧控制方程及计算模型．

计算中采用修正的后一占紊流模型、紊流燃烧的ｐｒｅＰＤＦ快速反应模型、离散坐标辐射换热模型和液滴蒸发模型、颗粒相的随机轨道模型来封闭液雾燃烧时的平均方程组嗍。

２．１燃烧过程的基本控制方程组

假定流动为不可压缩稳定流，由于存在旋流，紊流是各向异性，而标准的后一占模型中粘度系数是各向同性的，所以湍流运动采用修正的后噌方程，即ＲＮＧ｜｜｝噌模型。其控制方程包括连续性方程、动量方程（３个方向）、能量方程、修正的露方程和ｓ方程。

２．２液雾蒸发模型

在液雾颗粒相的控制方程中需要确定液滴的蒸发速率。文中采用“折算薄膜”理论：先不考虑蒸发和燃烧，假定液滴周围有一个厚度有限的球壳形气层，即驻膜，其中的球对称导热与实际的对流换热等价；第二步考察这一驻膜内的球对称蒸发和燃烧。用这种理论来求解单个液滴的蒸发速度、通风对单个液滴蒸发过程中能量方程和组分扩散方程的求解嘲，可得到液滴蒸发速率的表达式：ｍ：碱盹声ｌｎ【ｌ＋螋】ｃｐ口ｃ

式中：ｍ－液滴蒸发速度；ｄ广液滴直径，ｍ；＾ｋ厂无蒸发无燃烧的球对称导热的努赛尔数；Ａ一导热系数。Ｗ，（ｍ－Ｋ）；ｃｐ一比热经验常数，Ｊ／（ｋｇ－Ｋ）；野一液滴表面温度，Ｋ；呲相温度，Ｋ；ｇ广热流密度，ｗ脐。

３网格的划分与求解方法

本研究的燃烧器结构复杂，故对燃烧器进行分割，把燃烧器分为５个部分：一次风区间，旋流器区间，烧嘴砖区间，二次风区间和燃烧空间。网格划分图如图

２所示。

考虑工程实际，设定空气为质量进口，出流边界条

件不能与压力进口边界条件一起使用，故燃烧空间的

出口面设为压力出口，其余为恒温壁面，即第一类边界

条件。一、二次风为质量流人口，采用的是预热空气，温

度为６００Ｋ，出口为压力出口，回流温度设定为６００Ｋ，

其中湍流强度按扛０．１６僻ｅＤｕ）‘墉计算１９．姗。

控制方程采用有限体积法。存在负压，故对压力离

散格式采用ＰＲＥＳＴＯ！。对流项采用一阶迎风格式。压

力一速度耦合采用ｓＩＭＰＬＣ法求解ｆｎｑ３１。在壁面外，考虑

紊流输运的减弱和层流的增强对流体输运性质的影

响，采用壁面函数法求解。通过观察残差变化选择合适图２燃烧器的三维网格图

的欠松弛因子。可调整动量松弛因子来加速收敛速度。

４模拟结果分析

合理的配风比使燃烧器内氧浓度较合理的分布，

氧浓度的合理分布直接表现为燃烧火焰的稳定和温度

及产物的分布，故通过改变一、二次风的比例寻找最佳

的燃烧器配风比。不同配风比时燃烧器模拟的温度场

结果如图３（油的总量Ｏ，０４ｋ幽，空气总量０．５６ｋ幽）。

（ａ）ＣＩ－Ｃ

第ｌ期邱冰冰等：配风比对燃油燃烧器燃烧过程影响的数值模拟７

（ｄ）ＧＩ＝Ｏ．３Ｇ【ｄ）ＧＩ＝ｏ．２Ｇ

图３‘不同配风比下的温度分布图

由图３（ｃ）可看到，火焰的最高温度在２４８０Ｋ左右，随着二次风量增大，火焰长度也加长，但是火焰在中心轴线上的温度却随着二次风量的增大而减小；就火焰的结构可以看出，二次风小时，火焰较短，火焰长度在２ｍ左右，二次风量占８０％时，火焰过长并且偏离轴向，火焰长度在３．５ｍ左右。对油燃烧器来说，一次风在喷雾锥的根部，油雾尚未着火就与之混合，可避免油雾着火时因缺氧而产生严重热分解，形成大量碳黑。．二次风的作用在于降低火焰温度，使液滴和空气混合均匀，燃烧在空间上拉长。

火焰温度随一次风量的变化比较如图４。从图４（ａ）可以看出，在沿中心轴线方向上，当一次风量占２０％时，火焰温度波动范围较大，火焰不稳定，随着一次风量的加大，在中心轴线上火焰的稳定性逐步降低。从图４（ｂ）可看出，Ｇ１－０．２Ｇ和Ｇ１－Ｏ．３Ｇ时火焰温度高，在２３００Ｋ左右，但Ｇｌ－Ｏ．２Ｇ时，温度在径向方向上波动较大，火焰不稳定，随着一次风量加大，温度逐步降低，即火焰长度随着一次风量的加大在逐步变短。

ｕＳ嚼赠《毯赠

距离，ｍ距离，ｍ

（淞中心轴线上（ｂ）中心轴石＝２ｍ处径向

图４温度分布比较图

５结论

合理的配风比使燃烧器内氧浓度分布较合理，．氧浓度的合理分布直接表现为燃烧火焰的稳定和合理分布。通过模拟结果可以看出，燃烧器的最佳配风比为一次风量占总风量的３０％，二次风量占总风量的７０％时，火焰结构和温度分布最合理。

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【１３】韩占忠，王敬，兰小平．ＦＬＵＥＮＴ流体工程仿真计算实例与应用【嗍．北京：北京理工大学出版社，２００４．

（上接第４页）

５结论

（１）“渣洗脱硫”是一种简便、快速、经济、有效的炉外精炼方法之一，特别适用于没有ＬＦ精炼炉的钢厂，或有ＬＦ精炼炉但生产节奏很快的钢厂的部分钢种。

（２）含ＢａＯ渣系是在原ｃａＯ基炉外脱硫剂的基础上，用ＢａＯ替代部分ＣａＯ的新型炉外脱硫剂，在加入量８ｋ趴的条件下，’７ｓ≥３５％。与原ＣａＯ基脱硫剂相比，脱硫率相对提高４０％。

（３）采用含ＢａＯ渣系炉外脱硫剂，除了能提高钢的质量之外，还可以使不少钢种无需经ＬＦ炉精炼，有利于降低炼钢成本，提高生产率。

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配风比对燃油燃烧器燃烧过程影响的数值模拟

作者：

作者单位：

刊名：

英文刊名：

年，卷(期)：

被引用次数：邱冰冰， 杨步云， 李文科， QIU Bin-bin， YANG Bu-yun， LI Wen-ke安徽工业大学冶金与资源学院,安徽,马鞍山,243002安徽工业大学学报（自然科学版）JOURNAL OF ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY(NATURAL SCIENCE)2009，26(1)0次

参考文献(13条)

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2.何佩鏊.赵仲琥.秦裕琨 煤粉燃烧器设计及运行 1987

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11.赵坚行 燃烧的数值模拟 2002

12.王福军 计算流体动力学分析-CFD软件原理与应用 2004

13.韩占忠.王敬.兰小平 FLUENT流体工程仿真计算实例与应用 2004

相似文献(10条)

1.会议论文 姚寿广.朱德书.李宗羲 文丘利油燃烧器内外部等温流场的数值模拟 1998

该文针对文丘利油燃烧器流场数值模拟存在的特殊性，提出了一种分析模型和处理方法，通过数值模拟结果与试验数据的对比分析，表明该文建立的模型及处理方法是令人满意的，据此进一步对某舰船锅炉文丘利油燃烧器的内外部等温流场进行了预测分析。

2.学位论文 罗渝东 低热值煤层气燃烧器的数值模拟与实验研究 2006

甲烷浓度在30﹪左右的煤矿井下抽放煤层气热值较低，研究开发适合这种煤层气高效清洁燃烧的专用燃烧器对缓解我国能源紧张、控制煤层气污染及合理利用煤层气资源具有很好的经济效益、社会效益和环境效益。

文中对三种低热值煤层气燃烧器进行了全尺寸的三维燃烧数值模拟和实验研究。模拟预测了燃烧器的流动和燃烧特性随结构和热负荷的变化规律；冷态实验研究了燃烧器内部流动阻力随燃烧器结构和负荷的变化规律；热态实验考察了燃烧区域的火焰特性和温度分布随燃烧器结构和热负荷的变化规律。

采用Realizablek-ε湍流模型、物质输运和漩涡耗散模型及P-1辐射换热模型对燃烧器进行燃烧模拟表明：完全预混式和部分预混式燃烧器燃烧效率都达到99.99﹪，扩散式燃烧器燃烧效率最低。部分预混式燃烧器燃烧温度高且高温区域分布广，射流刚性好，速度衰减慢，主流直径最小。完全预混式燃烧器燃烧温度最高，燃烧主要集中在喷口内部，主流受旋转射流影响大。扩散式燃烧器燃烧温度最低，速度衰减快。部分预混式和完全预混式燃烧器采用渐扩口燃烧效率更高，扩散式燃烧器采用渐缩口时燃烧效率更高。部分预混式燃烧器综合性能最佳。进一步的数值模拟考察了部分预混式燃烧器在不同喷口角度下的燃烧效率，结果预测当其喷口扩散角等于6.87°时的燃烧效率最高。

冷态阻力实验结果表明：完全预混式燃烧器内部流动阻力最大，扩散式燃烧器内部流动阻力最小，部分预混式燃烧器和扩散式燃烧器内部流动阻力特性相似。热态燃烧实验结果表明：三种燃烧器在不同热负荷下均能稳定燃烧，不回火、不脱火，有较宽的负荷调节能力。部分预混式燃烧器燃烧温度高，高温段距离长，火焰刚性好，火焰宽度小，火焰扩散角小。扩散式燃烧器火焰长，宽度大，火焰扩散角大。完全预混式燃烧器的火焰长度最短，中心轴上的燃烧温度降幅大。

数值模拟和热态实验结果基本吻合，证明数值模拟方法正确，模型选择合理，实验方法正确，结论可靠。为低热值煤层气燃烧器的工业应用和最终商业化奠定了理论与技术基础。

3.期刊论文 安恩科.周洪权 低NOx燃烧器燃烧特性的数值模拟 -锅炉技术2004,35(2)

研究对350MW电站锅炉采用低NOx燃烧器和常规直流煤粉燃烧器的燃烧过程进行了数值模拟.数值分析结果表明:炉内的最高温度出现在燃烧器上部附近,在此区域,锅炉采用低NOx燃烧器的火焰中心温度比常规燃烧器的要高出100℃多,而对应2种燃烧器的截面平均温度沿炉高没有明显的区别;燃烧器区域的截面温度场呈现出马鞍形分布,即炉膛中心和炉壁附近的温度较小,其二者中间环形区域的温度最高;周期性变化的一次风喷嘴截面的火焰平均温度较高,二次风喷嘴截面的火焰平均温度较小,二者相差300℃左右,炉膛的切圆直径在燃烧器上部附近最小,在燃烧器区域,切圆直径几乎为常数,在燃烧器的上部和下部区域,炉膛截面的切圆直径较大;低NOx燃烧器和常规直流煤粉燃烧器所对应的切圆直径,在燃烧器的上部附近,低NOx燃烧器相应的切圆直径要大一些,在其它的区域中二者相应的切圆直径没有明显的区别.

电站锅炉燃烧器是整个锅炉燃烧系统中的重要部件，其中气体－煤粉颗粒的两相流动特性对于炉内燃烧的效率和稳定性有着重要的影响，正确预报颗粒浓度以及各相速度和湍动能的分布，将有助于燃烧器结构和工况的优化设计。故而，开展与此相关的学术研究具有重要的工程意义。本文以某电厂新型浓淡直流煤粉燃烧器为研究对象，通过实验和数值模拟的方法对燃烧器内的冷态气固两相流动进行了研究。

首先，运用三维粒子动态分析仪（PDA）对燃烧器一次风通道内气固两相流场进行了测量，得到了燃烧器一次风通道内气固两相速度分布、湍动能分布和颗粒浓度分布。

再次，本文基于气固两相双流体湍流模型，运用自行发展的一套计算程序，对燃烧器内气体—颗粒两相流动进行了数值模拟。其中，根据稀相流动假说，采用单向耦合模型描述相间作用，并在固相方程中考虑了颗粒扩散效应。

通过对实验测量与数值模拟所得到的结果的比较分析，发现了该燃烧器设计的不合理因素，揭示了燃烧器内两相流动的机理以及其结构特征对于流场的影响,如：燃烧器内的双弯头效应和菱形障碍块的具体作用等。

最后，本文以实验测量和数值模拟的结果分析为依据，对燃烧器结构进行了优化设计，并通过数值模拟的手段验证了新设计的合理性。

5.期刊论文 张孝勇.王雨蓬.郭永红.唐宏.孙保民.黄其励.ZHANG Xiao-yong.WANG Yu-peng.GUO Yong-hong.TANGHong.SUN Bao-min.HUANG Qi-li 等离子燃烧器燃烧特性的数值模拟 -动力工程2005,25(6)

结合煤粉锅炉等离子燃烧器的结构特点,用数值仿真软件Fluent对套筒式等离子燃烧器的内燃特性进行了二维流动数值模拟,计算了一次风从燃烧器的等离子点火区到炉膛内的燃烧特性,并与实验和工程应用结果进行了比较.模拟结果表明:在等离子燃烧器喷口形成了"粉包火"的着火工况,降低了燃烧器喷口温度,改善了燃烧器的工作环境.该燃烧模拟结果与等离子燃烧器在某600MW机组现场应用以及在等离子热态试验台点火试验的结果基本吻合.图6表2参3

6.期刊论文 冀美萍.李燚.JI Mei-ping.LI Yi 基于燃烧器空气动力场数值模拟 -广州化工2009,37(4)

某化工厂锅炉由于炼厂干气的特点,燃烧器区域烟气温度过高,同时燃烧器不能及时得到冷却,造成燃烧器金属材料热疲劳加剧,燃烧器烧坏变形问题,文章通过计算流体动力学方法,针对两种不同结构燃烧器数值模拟了其空气动力场特性,根据计算结果提出了燃烧器设计改进思路.

7.学位论文 周孟 煤粉炉微油点火燃烧器的数值模拟 2008

我国的石油资源贫乏，国际原油的价格持续不断上升的趋势，而火电厂锅炉在启、停和低负荷稳燃过程中，需要消耗大量的燃料油，因此实现锅炉的无油和少油点火技术，对节约用油有着十分重要的作用。微油点火燃烧器是一种通过专门设计的燃烧器，用较少量的燃料油，点燃大量的煤粉，从而达到锅炉点火和低负荷稳燃的目的。它是一种以常用的高能点火器点燃气化小油枪，用燃料油燃烧产生的高温火焰点燃浓相煤粉气流，浓相煤粉气流再点燃稀相煤粉，从而实现了煤粉的逐级点火的过程。微油点火技术具有投资少、设备结构简单、维护量小以及节油效果显著的特点，已经广泛的应用到国内外多家电厂的大型锅炉机组中，对降低发电成本、节约油资源，增强国家能源安全有很大的重要意义。

本文首先介绍了微油点火燃烧器的基本构成，并且介绍了燃烧器各部分的点火原理，总结了微油点火燃烧器的点火技术和经济特点。然后，对商业软件FLUENT进行了简单的介绍，详细讲解了点火过程中的基本守恒方程，气相湍流流动模型中的k-ε模型，湍流燃烧的平衡混合分数/PDF模型，辐射模型中的P-1模型，焦炭燃烧的动力扩散模型，挥发份析出的双匹配速率模型以及颗粒跟踪的随即轨道方法。其次，选择合适的方程和数学模型对小油枪的燃燃烧进行了模拟，分析了其温度场和速度场的分布，结果显示油燃烧室出口火焰温度和速度，从中心到壁面都是逐渐降低的，呈抛物线形状分布，将温度和速度拟合成方程作为微油点火燃烧器数值模拟的入口边界条件。并且对不同工况下油燃烧进行了模拟，得出了不同旋流强度和不同雾化角对燃烧产生的影响。再次，结合微油点火燃烧器的结构特点，对轴向和径向结构的微油燃烧器进行了数值模拟，得出了一些能反应微油燃烧器点火特性的重要参数的分布，如温度场、速度场、CO2和CO质量分数等，从而对微油燃烧器点火特性进行系统的研究。最后，对不同工况下的点火过程进行数值模拟，并对点火特性进行比较，分析了一次风、煤粉浓度以、煤种变化以及油枪布置角对点火产生的影响，从而得出不同工况下微油燃烧技术的点火规律，并总结了微油点火燃烧技术的特性。

本文的研究结果对实现煤粉锅炉微油点火燃烧器的技术改进和设计提供了重要的理论指导意义。

8.期刊论文 苏俊林.徐晓英.王震坤.Su Junlin.Xu Xiaoying.Wang Zhenkun 切向鼓风式燃烧器三维流场的数值模拟 -冶金能源2008,27(3)

为了全面分析切向燃烧器的流动特性,利用商用计算软件STAR-CD对切向鼓风式扩散燃烧器进行了数值模拟.该燃烧器以液化石油气为燃料,采用标准k-ε模型和SIMPLE算法,预测了燃烧器内部空气动力场、压力场、湍动能及其耗散率等分布情况.计算结果表明,整个燃烧器内部流场是三维、非对称、有旋场.燃烧器混合效果较好,射流场内部沿流动方向存在着回流区,这不但有利于稳定燃烧,还能使着火提前,缩短火焰长度.

9.学位论文 崔玉周 金属纤维燃烧器头部特性数值模拟与分析 2006

随着能源问题和环境污染问题的日益突出，研究燃烧效率高、污染物排放低的燃气燃烧技术及燃烧器具显得尤其重要。作为近年出现的一种新型表面式燃气燃烧器，金属纤维燃烧器因其优良的特性赢得了国内外业内人士的青睐，有着广阔的发展前景。

本论文应用燃烧学、流体力学、数值模拟等相关知识，针对金属纤维燃烧器进行了基础性的研究，提出了一些作者自己的观点。

首先，介绍了金属纤维燃烧器的构造和工作原理，在此基础上对其特点及应用进行了总结，并对该燃烧器所涉及的金属纤维、预混设施、表面燃烧、燃烧器系统特性以及不同负荷下空燃比的控制等关键技术作了详尽的分析。

根据分流板的设置情况不同建立了四个不同的燃烧器头部物理模型，运用流体模拟计算软件FLUENT对各模型分别进行了混气和燃烧的模拟。然后，结合模拟结果，主要针对速度、质量分数和燃烧温度进行了对比分析。从而得出重要结论：一级分流板和二级分流板对于改善燃烧器头部混气和燃烧的均衡性都有很好的作用；相对于一级分流板而言，二级分流板的作用更明显。为以后进一步提高金属纤维燃烧器头部混气效果、改善燃烧状况提供了依据。

接着对金属纤维燃烧器头部典型结构进行了阻力特性分析，通过数学关系式说明了影响其头部阻力损失的各个因素，为该类型燃烧器设计和应用提供了参考。

最后，为以后这种燃烧器的进一步开发提出了几点建议。

10.期刊论文 李朝祥.吴承勇.郭威.LI Chao-xiang.WU Cheng-yong.GUO Wei 平焰燃烧器流场的数值模拟 -安徽工业大学学报（自然科学版）2006,23(1)

应用Fluent软件,研究平焰煤气燃烧器形成旋转射流方法和机理,采用标准k-ε模型对平焰燃烧器三维流场进行数值模拟.通过比较,数值计算结果与理论规律符合较好.可直观地显示平展气流的形成过程以及流速、压力和湍流的分布规律,为煤气平焰燃烧器的设计、研究提供了有效的研究方法和途径.用标准k-ε模型来预测旋转射流具有较高的准确性,通过数值模拟,可代替大量的实验探索,在很大程度上,缩小实验范围,节省人力物力,是一种经济有效的研究手段.

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