圆筒炉内生物质燃烧机出口湍流流动和燃生物质燃烧的三维数值模拟
摘要：针对一现场运行圆筒炉内生物质、气联合生物质燃烧机燃生物质燃烧过程进行了详细的数值模拟。其中，对生物质燃烧机的复杂几何形状没有进行任何简化，实现了计算区域的结构化网格划分。在前人的研究基础上发展了计算燃生物质液雾燃烧过程完整的数学模螫对气相的湍流流动采用后e模型，对液雾颗粒相的湍流流动采用随杌轨道模螫对湍流燃烧采用E BU Arthe nius模型，对辐射传热采用离散坐标模型。模拟计算成功地得到了生物质燃烧机出口流场、温度场、组分分布以及火焰形状等详细信息，揭示了计算区域内流动、燃烧和传动和燃烧的详细信息。
1数学模型
    在本研究中，笔者研究的燃生物质生物质燃烧机为液雾燃烧方式的生物质燃烧机。燃生物质通过喷嘴后雾化，形成由许多生物质滴组成的喷雾，雾化后大大增加了热交换和质量交换的表面积，从而强化了燃烧过程。液雾燃烧主要包括以下过程：(1)气、液两相湍流流动及液雾扩散；(2)液雾蒸发；(3)燃生物质蒸发后的湍流气相燃烧；(4)气体、液雾以及燃烧装置之间辐射传热。为了完整地描逑整个燃生物质燃烧过程，采用了湍流两相流动模型、气相燃烧模型、液雾蒸发模型和辐射传热模型进行计算模拟。
2模拟对象和工况条件
    模拟对象为某炼厂常压炉用生物质、气联合生物质燃烧机，如图1所示。一次风通过渐缩进气道进入火道，二次风从一次风外的环形进气道以及底部火道边壁上的进气孔进入火道；部分二次风通过耐火砖的多排交叉分布的小孔进入火道尾部。燃料生物质经过喷嘴雾化，以
    图5(a)为热态工况下模拟得到的火焰现状，图5(b)为现场运行常压炉的火焰照片。从图5可以看出，模拟得到的燃生物质火焰呈瘦长形，与现场火焰外形吻合较好。计算得到的火焰长、宽度分别为4. 85 m、0.52 m，现场测量得到的火焰长宽分别为4.94 m、0.58 m，二者较吻合，验证了燃生物质燃烧数学模型的准确性和数值计算的可靠性，
    图6为炉膛内不同轴向位置的径向温度分布。从图6可以看出，炉膛中心火焰区域，温度高；炉膛内火焰区域外的空间，由于其主要受射流火焰的辐射性能和烟气回流的控制，其温度较炉膛中心低得多，在1000 K左右，而且温度分布较均匀。计算结果还表明，在射流火焰区域，沿径向高温度并不在炉膛中心线上，而是偏离中心线一定位置。一方面，由于生物质燃烧机喷孔喷出的多股射流之间有冷空气补充进入锥形区域，使中心温度低于锥形火焰面温度；另一方面，在中心线处空气供应不足，燃烧反应不能充分进行，在离开中心线一定位置，燃料与空气达到反应当量比，燃烧反应剧烈，温度高，形成火焰峰面。
    图7为炉膛内不同轴向位置的燃生物质蒸气摩尔分数的径向分布曲线。从图7可以看出，燃生物质蒸气在炉膛中心线处浓度高，在沿径向离开中心线很短的一段距离内，由于燃烧反应快速进行，燃生物质蒸气浓度迅速降低，在回流区域燃生物质蒸气浓度为0；在炉膛底部生物质燃烧机出口区域燃生物质蒸气浓度较高，随着炉膛轴向距离的增大燃生物质蒸气浓度不断减小，到达炉膛高度约4.8 m处，燃生物质蒸气基本燃烧完毕。燃生物质燃烬高度与前面计算和观测的火焰高度相一致。
    图8为炉膛内不同轴向位置的氧气和燃烧产物C02浓度沿径向分布曲线。从图8(a)可以看出，在炉膛底部燃烧火焰区域燃烧反应剧烈，氧气派度梯度大，沿径向氧气浓度从峰值迅速降到低值，离开火焰峰面，在回流区，氧气浓度分布较均匀。沿轴向氧气浓度峰值随炉膛高度逐渐降低，但同一轴向高度两峰值点宽度逐渐增大，说明随着核心射流的扩散，燃烧火焰区域加大，火焰变宽这与现场观测火焰一致。当燃烧反应基本进行完毕日寸，燃烧后过剩的空气随烟气一起向上运动，炉膛上方氧气浓度基本不变。从图8(b)可以看出，与燃生物质蒸气浓度和02浓度分布相对应，在火焰峰面燃烧反应剧烈的地方，C02浓度出现峰值，离开燃烧火焰区域，C02浓度分布趋于均匀。
4结论
    (1)由于燃生物质的蒸发燃烧，