旋流式煤氧枪气流流场的试验及数值模拟

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1988.03.002 北京钢铁学院学报 第10卷第8期 Journal of Beijing University Vol,10 No,3 1988年7月 of Iron and Steel Technology July 1988 旋流式煤氧枪气流流场的试验及数值模拟 张建平万天骥 刘子超 侯木玉文静 (北京钢铁学院) (北京航空学院) 摘 要 按照相似理论的基本原则，设计和确定了用于工业试验煤氧枪的冷态试验模 型。采用一维多普勒激光潮速仪，测量了旋泷流场的轴向速度分布，根据LDV测量 值，建立了描述所给旋流场的数学模型。文中指出以余弦函数形式来通近回流区域 内的轴向速度，能茯得较现有其它方式更满意的效果。文中还付论了旋流流场的其 它空气动力学问题。 关鍵词：粉煤，喷煤，速度场激光测速，旋流，冷慎型 Experiment and Numerical Simulation on the Gas Flow Field of the Swirl Pulverized Coal-Oxygen Burner Zhang Jianping,Wan Tianji,Liu Zichao,Hou Mouyu,Wen Jing Abstract Accorhing to the analogue theory,a cold experimental model for simulating the swirl pulverized coal-oxygen burner used in the industrial test was designed and established. By one dimension LDV,the distribution of axial velocity in the swirling field given was measured.Depending upon the measurement datum by the LDV,the mathematic model for showing the swirling field given was developed, and the measurement value was in good agreement with the calculation value of the model.It is considered that the approch was more satifactory than other methods at present as the axial velocity distribution in the reverse flow 1987一08一22收稿 285

第 卷第 期 年 月 北 京 钢 铁 学 院 学 报 。 。 ﹄ 卜 一 一 网 一 一一 一一一一一 旋流式煤氧枪气流流场的试验及数值模拟 张建平 万天 骥 北京钢 铁学 院 刘 子超 侯木玉 文 静 北 京肮空学 院 摘 要 按 照 相似理论 的基本原 则 ， 设 计和确 定了用 千工业 试验煤 氧枪的 冷 态 试 验 模 型 。 采用 一维多普勒激光测速仪 ， 测盘 了旋流流场的轴 向速度 分布 ， 根据 测最 位 ， 建 立 了描 述所给旋 流场 的数学模型 。 文 中指出以 余 弦 函 数 形式 来逼 近 回 流 区域 内的 轴 向速度 ， 能获得 较现 有其它 方式更满意的效果 。 文中还 讨论 了旋流流 场 的 其 它空气 动力学 问题 。 关趣词 粉 煤 ， 喷 煤 ， 速度 场 ， 激 光测速 ， 旋流 ， 冷 模型 一 ‘ 夕， ‘ ‘ ， “ ‘ ， 夕 ， 班 ‘ ， 。 ， 乏 一 。 。 一 们 ， 。 ， 主 · ， ， 、 一 一 收稿 名 每 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1988．03．002

area was shown by cosine function.Hence,the some problems on the gas dynamics of the swirling field was also discussed in this paper. Key words:pulverized coal,coal powder injection,velocity field;velocity measurement with laser,swirling,cold modelling 引 言 采用旋流式煤氧枪强化电炉治炼是一项新技术，它在节能（特别是节电），提高生产率 方面具有巨大优越性[1门。从强化电炉治炼的目的出发，既要求煤氧枪能在熔化前期尽早完 成点火并使之稳定燃烧，又要求它具有较强的熔化切割废钢的能力，这就需要火焰具有足够 的刚性。就煤氧枪的设计而言，这两者的要求是相互矛盾的。目前煤氧枪的设计尚存在许多 不足)，这是对它的燃烧空气动力学特性，尤其是它的速度场、浓度场分布规律缺乏足够 的了解。但是旋流流场的复杂性，给这方面的研究工作带来了很大困难，人们常采用一种简 便而实用的研究方法，即按照相似准则，在等温模化的基础上，研究速度场和浓度场的分布 规律，以解决工程燃烧问题。 有关旋流流场的研究，直至60年代才得到人们的重视。Chigier,Beer等人都在这方面 做过较全面深入的研究【2~7)。T0年代以来，随着计算流体力学的发展，不少人【8，]采用原 型方程法或涡量一流函数法，在解决旋流流场的数值计算方面取得了可喜进展，但目前数 值计算模型的精度离要求还有一段差距。此外有关回流区域及其附近的速度分布迄今尚未建 立起满意的桃型形式。本工作借助于一维多普勒激光测速仪(LDV),通过对工业试验用煤 氧枪的等温模化研究，探讨了有关旋流流场的空气动力学诸问题。 1试验设备 有关模化研究的相似准则，许多文献均有详尽介绍【2】，本工作把工业试验用煤氧枪原型 作为模化设备，采用实际应用的工况条件，因此，能够满足模化研究所必备的相似要求。喷 嘴示意如图1，其结构二次风（氧气）旋流数S按照Beér等人【21提出的计算式算得为0.62， 供气量一次风为30Nm3/h,二次风为300Nm3/h。由于本工作侧重于研究喷嘴附近的流动 状况，根据Wingfield和Davison的观点【4,5)，采用直接比例模型，较其它修正诸如 Thring-Newby[a]方法更为合理。 图1试验用煤氧枪结构示意图 Fig.1 The schematic diagram of the constitution of the pulverized coal oxygen burner 286

· ， · ， ， ， · ， ， 引 言 采 用旋 流式煤氧枪强 化 电炉冶炼是一项新技术 ， 它 在 节能 特别是 节电 ， 提高生产率 方面具有巨大优越性 【 ‘ ’ 。 从强化电炉 冶炼的 目的 出发 ， 既 要求煤氧枪能在熔化前期尽 早 完 成点火并使之稳定燃烧 ， 又 要求它具 有较强 的熔化切 割废 钢的能 力 ， 这就需要火 焰具有足 够 的刚性 。 就煤氧枪的设计而 言 ， 这 两 者 的要求是相互 矛盾的 。 目前煤 氧枪的设计尚存在许多 不足 ’ ， 这是 对 它 的燃烧空气动 力学特性 ， 尤其是 它 的速度场 、 浓度场 分布规律 缺乏 足 够 的了解 。 但是旋 流流场 的 复杂性 ， 给这方面的研究工作带来 了很 大困难 ， 人们常采用一种简 便而 实用 的研究方法 ， 即按照 相 似准 则 ， 在等温模化的基础 匕 研 究速度场和浓度场 的分布 规律 ， 以解 决 工程燃烧问题 。 有关旋流流场 的研究 ， 直至 年代 才得到人们 的重 视 。 ， 击 等人都 在这 方面 做过较全 面深人 的研究 【 一 ” 。 年代以 来 ， 随 着计算流体力学的发展 ， 不少人 ‘ ， 。 ’ 采用原 型 方程法或涡量 －流函数法 ， 在解 决旋 流流场 的数值计算方面取 得 了可喜进展 ， 但 目前数 值计算模型 的精度离要求还 有一段差距 。 此 外有关回 流 区域 及其附近 的速度分布迄今 尚未建 立起满意的模型 形式 。 本工作借助于一维 多普勒激 光测速仪 ， 通 过 对 工业 试 验 用 煤 氧 枪的等温模化研究 ， 探讨 了有关 旋流流场 的空气动 力学诸问题 。 试验设备 有关模化研究的相似准则 ， 许多文献 均有详尽 介绍 ’ ， 本工作把工业 试验 用煤氧枪原型 作 为模化设备 ， 采用实际应用的工况条件 ， 因此 ， 能 够满足模化研究所必备 的相 似要 求 。 喷 嘴示 意如 图 ，其结构二次 凤 氧气 旋流数 按 照 价 等人 『“ 提出的计算式算得 为。 ， 供气量一 次风为 “ ， 二 次 风为 。 由于本工作侧 重于 研 究喷嘴附 近 的 流 动 状况 ， 根据 和 的 观 点 ‘ ， “ ’ ， 采用直接 比 例 模 型 ， 较 其 它 修 正 诸 如 一 ’ 方法更为合理 。 图 试验 用煤氧枪结构示意 图 ， 牡 犷

流场测定以美国TS公司生产的一维LDV的测量为基础。该机带有频移系统，测量 反向流动。示踪粒子为掺混在气体中的雾化油粒，测量数据处理由一个与之联机的苹果(I) 机完成。仪器的测量精度为1%。 2测量方法和结果 激光束的聚焦点和樹定激光器的支架平面间距离为120nm,为减少对流场的忧，测点 P在测量过程的移动方式，是由枪的轴心线垂直向下移动。忽略枪本身加工过程所造成的不 对称因素，可近似认为射流具有轴对称性质，这样对每一截面不同测点P所获得的速度值， 便构成相应截面的轴向速度分布。 测量截面0、I、I、I、M,分别位于距喷嘴截面6、30、80、130、180mn的轴线 距离上，除0截面上各点间距为5mm外，其余截面各测点间距均为10mm。测量结果绘于 图2(a)。 120- a Ix=10m/s 100 8 40 20 ‘0 120 100 80 60 0 20 0,03 0.08 0,13 0.18 1,0 X:m 图2轴向各就面轴向速度Ux沿径向，分布图，(a)测量值(b)计算值 Fig.The distributing diagram of the axial velocity,Ux,along radial,on every scctions along axial (a)Dctermined value (b)Calculated valuc 了流场的数值模拟 3.1模型基本形式的选择 分析图2，可见喷口截面及其附近的轴向速度分布，大致呈双峰型，蜂的外侧具行典型 的高斯分布特征，这与一般文献介绍相符6，)。因而被峰外侧采用下列方程形式是合理 的： jUx=AeK-rg’2 (r>rg>0) Ux=Ae-x2(r<r<0) (1) 式中Ux为轴向速度，r为径向距离，A、K、ra均为与r无关的待定系数。当r=ra 时，截面速度达到最大值，即A=Ux。a。 287

流场 测 定以美国 公 司生产的一 维 的测量为基础 。 该机带有频 移系 统 ， 反 向流 动 。 示 踪粒 子为掺 混 在气 体 中的雾化 油粒 ， 机 完 成 。 仪 器 的测 量 精度 为 。 「耳测 量 侧量数 据处 理 由一 个与之联 机 的苹果 测量方法和结果 激 光 束的聚焦 点和 囚定激 光 器的 支 架 平 面间距 离为 ， 尸 在侧量过 程 的移动 方式 ， 是 由枪的轴心 线垂 直向 下 移动 。 为减 少对 流场 的 干 比 ， 测 点 对 称 因素 ， 可 近 似认为射 流具 有轴 对称 性 质 ， 便 构成 相应 截 面 的轴 向速度 分 布 。 忽略枪本身加工过 程 所造 成 的不 这样 对每 一截 面不 同测 点 尸所 获 得 的速度值 ， 狈」量截 面 。 、 、 、 、 牡 ， 分别位 于距喷嘴截 面 、 距 离上 ， 除 。 截 面上 各 点 间距 为 外 ， 图 。 、 、 ， 的轴 线 其余截 面各测 点间距 均为 。 测量结果绘 于 彗 。 。， ，、 二 。 卜 ‘ ， 泊八卜︸ 盆 曰目 一 巨 王 任氏 ， ‘ 、 ， 沿 径向 分布 图 ， 翁 ’ 弓卜 六 图 轴 向各 娥 面轴 向速度 测 量位 计 算 匕 ， ， 。 。 。 二 。 。 。 、 。 。 。 、 流场 的数值模拟 模 型墓本 形式 的选择 分析 图 ， ， ’ 见喷 「截 面及其附近 的轴 向速度 分 布 ， 的高 斯分布 特 征 ， 这 与一 般 文献 介绍 相符 〔 ， ’ 。 的 大 致呈 双峰型 ， 峰 的 外 侧」黔有典型 因而 波峰外 侧 采用 厂列 方 程 形 式 是 合 理 才 一 趁 一 、 式 中 为 轴 向速度 ， 为径 向距 离 ， 时 ， 截 面速度达 到最大值 ， 即 。 。 二 。 。 ， 、 、 犷 。 均为与 无 关 的待 定 系 数 。 当

对于波峰内侧的速度分布，由于存在回流区和反向流动，速度分布较难模拟，有的采用 代数多项式逼近，但这难以保证函数及其导数在”=”：时连续的要求。为此考虑以三角函数 的形式来逼近。为简化起见，只用一次型的三角函数形式，即有： u:=4-cos(什）+4e Ir<irl 2 2 (2) 式中，Uxc为截面中心轴向速度值。 容易验证(2)式满足函数及其导数的连续性要求，且函数具有对称性。 3.2模型参数的确定 根据实验数据，得到下列参数的关系式，即当x≤0.18m时有 4=7 (m/s) (3.a) K=s6:a=✉： (m2) (3.b) (09)*-(”) (m) (3.c) UUxc=14,88exp〔-142.8(x-0.18)2]-13(m/s) (3.d) 式中A,、K,、,可分别从对应的式子求出，为描述整个流场的速度分布，根据旋流流 场的基本特征，参考文献【2,81提供的数据，可作如下假设： (1)当x大子某一值x。时，速度分布按下式给出： U=Aexp(-K(r-ra1)2) (r>0) (4.a) Ux=Aexp(-K(r+ra1)2) (r<0) (4.b) (2)轴向距离x在10倍于喷嘴直径距离即x=0.84m时，函数呈高斯分布： Ux=Ae-kr2 (x>10d) (5) 以上各式中，rB和r1的意义相同，为保证函数的连续性，令x=x时，rB=ra1,即 有： Uxcx-x,=Acxp(-Krii)lx-x,=14,88×exp(-142.8(x-0.18)2)-13 或： 4.32 7exp〔a02(89）〕 x。+0.13 =14.88exp(-142.8(￥。-0.18)2)-13 用作图法求根，川得x。=0.157,因x=x。时，ra=ra1,所以ra1lx-x,=0.070(m) 此外山式(3d)易得到Uc1.-.1=4.166(Ⅲ/s)。 根据以上条件令在￥=0,18m时，有 4.166=Ae-K:a1 288

对于波峰内侧的速度分布 ， 由子存在回 流区和反向流动 ， 速度分布较难模拟 ， 有的采用 代数 多项式 逼近 ， 但这 难以保 证函数及其导数在 二 ， 时连续 的要求 。 为此考虑以三角函数 的形式来逼近 。 为简化起 见 ， 只 用一次型 的三 角函数形式 ， 即有 一 一 才 气－ 兀 、 ， 尤 】 】 ， 式 中 ， 认 。 为截 面中心轴 向速度值 。 容 易验 证 式满足 函数及其导数的连续性要求 ， 且 函数具有对称性 。 棋 型参数 的 确定 根据实验数据 ， 得 到下 列参数的关系式 ， 即 当 二 镇 时有 一生鱼 一 劣 。 二 十 。 丽井告尝石了 二二 一 “ 一 攀碧 士 令 士 、 。 。 。 〔 一 一 〕 一 式中 ‘ 、 ‘ 、 ， 可 分别从对应 的式子求 出 。 为描 述整个流场 的速度分布 ， 根据旋 流流 场 的基本特征 ， 参考文献 〔 “ ， 。 ’ 提供的数据 ， 可 作如 下假设 当 大子某一值 。 时 ， 速度分布按下式给 出 一 一 ， “ 。 一 ， ， 轴向距离 在 倍 于喷嘴直径距离 即 时 ， 函数呈 高斯分布 过 一 ， 二 以上 各式 中 ， ， 和 ， ， 的意义 相 同 ， 为保 证函数的连续 性 ， 令 ‘ 二 。 时 ， ， ， ， 即 有 · 、 一 ， 。 一 落 一 二 。 二 、 一 二 。 一 一 或 。 ‘ 。 。 〔 一 。 ‘ 。 。 。 一 ‘ 一 “ 一 用作 图法求根 ， 可 得 。 一 ， 因 。 时 ， ， ， ， 所 以 护 此 外 山式 · 易得到 矶 。 ， 一 。 ， 。 ， 。 根据 以上 条件 令在 时 ， 有 〕 二 一 ， 。 · 。 。 一

从而得到ra1x-。.1。=0.0478(m)。 查图2a可发现在x=0.18m时，re1也在0,048(m)左右，川见与理论计算值非常吻 合，它反映了本文所作假设的合理性。 由以上讨论结果及已知条件，并根据假设(2)可令： {0.l5-y-8-0.070io8W-8=0.o4780.8M-月=0} 、H 解此联立方程，得H=0.004193,B=0.005678,M=-0.1016。 这样便可获得描述整个给定流场轴向速度的关系式： (1)当0≤x≤0.157m ∫-4ecos(5）+4ts 2 2 IrK<Ir. Ux=Aexp(-K(r-ra)) r>ra>0 了Aexp(-K(r+ra)2) r<-r<0 (2)当0.84≥x>x。=0.157m时 (6a) 亚-0arm r>0 r<0 (3)当x>10d=0.84m时 Ux=Ae-x, 其中各有关系数由下式确定 K=90 (1/m2) x≥0 A=4.32 x≥0 x+0.137 (m/s) (6b) r-〔t89 士 33.12J (m) 0≤x≤x。=0.157m r1=0.004193 ￥0.106-0.005678 (m) 0.84≥x>x6=0.157m Uxc=14.88exp(-142.8(x-0.18)2)-13 (m/s) 此外，考虑轴对称问题，可得流函数中的表达式： 中=∫prUxdr (7) 结果Simposon数值积分，计算流场各点的中值，并得到流场流函数（中）的分布图（见 图8)。 289

从而 得到 ，。 。 ‘ 。 。 查 图 可发现 在 时 ， 。 ， 也在 例 左右 ， ，’ 见 与理 论计 算 值 非 常 吻 合 ， 它反 映 了本 文所作假设 的合 理性 。 由以上讨 论结果及 已知 条件 ， 并根据 假设 可令 万刃万不而 一 万 · 了。 ， 。 。 ， 。 一 刀 ” 解此 联立 方程 ， 得 万 ， ， 一 。 这样 便可 获得描 述整个给定流场 轴向速 度 的关系式 当 簇 簇 。 一 火 。 吸－ 兀 ， 、 刀 又 。 一 一 ， 一 。 “ 】 ， ， · 一 ， 一 当 二 。 时 一 一 “ 一 。 “ 当 二 时 一 “ 其 中各有关系数 由下 式确定 。 大 。 “ 二 乡 二 一卫鱼鱼一 。 、、， 矛 板了护、 巡、 、 士 夕 尹 召 一 。 一 。 一 。 镇劣 ‘ 。 。 二 二 ‘ 。 一 二 一 “ 一 此 外 ， 考虑轴对称问题 ， 可 得流函数 叻的表达式 ， ， 丁 。 ‘ 结果 数值 积分 ， 计算流场 各 点的 吵值 ， 并得 到流场 流 函数 吵 的分 布 图 见 图