技术领域
[0001] 本
发明涉及一种基于CFD技术的
旋流燃烧器燃烧质量评判方法，尤其涉及一种利用CFD
软件模拟在不同一二次
风配风结构下的旋流燃烧器燃烧流场分布及生成物情况，使得不同一二次风配风结构燃烧质量得到准确评判。
背景技术
[0002] 燃烧器(Burner)是
燃料和空气以一定方式喷出后并在其中混合燃烧的装置统称，在
热处理及与
热能有关的行业中燃烧器必不可少，如常见的
锅炉、
冶炼炉、熔炉等等，作为整个加热装置的核心，其控制着被控对象的功率、
温度分布、热效率及使用寿命。
[0003] 在旋流式燃烧器的燃烧过程中，一二次风配比供给情况会影响可燃物的燃烧速率、火焰尺寸、加热效果及污染物排放，通过控制燃烧器的一二次风配风结构控制一二次风配比，可最终决定燃烧质量，保证燃烧效果。而实际应用中，如何确定合理的一二次风配风结构，是燃烧器控制的关键，也是难点问题之一。
[0004] 在工程学中，对燃烧过程的研究主要分为两种手段：试验研究和数值模拟。前者采用直接或间接测量燃烧参数的方法，使一些燃烧过程的研究可以直观明了，但其成本高、周期长、参数难以灵活变化，
湍流特性参数、燃烧参数难以直接测量，测量结果不宜外推等，限制了其实际应用。而另一方面，计算机数值模拟在计算机技术、理论
算法等的推动下，已迅速发展为试验研究的补充工具，成为燃烧流动领域研究的重要工具。
[0005] 目前并没有统一的评定燃烧器燃烧质量的评判标准。运用CFD技术模拟仿真不同一二次风配风结构旋流燃烧器燃烧情况，能有效缩短旋流燃烧器的研究周期，利用旋流器对空气流动的显著影响忽略燃烧器内部的流场分布，简化模型，以减少计算量，同时，发明基于CFD技术的旋流燃烧器燃烧效果评判方法，将有助于旋流燃烧器的设计和运行优化。
发明内容
[0006] 为解决上述问题，本发明提供了一种基于CFD技术的旋流燃烧器燃烧质量评判方法，以作为基于CFD软件旋流燃烧器设计的参考依据，辅助旋流燃烧器结构设计和运行优化。
[0007] 该评判方法基于CFD流场仿真技术，根据所设计的旋流燃烧器进行不同一二次风配风结构燃烧器空气流域及火焰筒-
炉膛模型
三维建模，利用燃烧器空气流域模型仿真获取不同一二次风配风结构的一二次风配比，在火焰筒-炉膛模型相同的情况之下，利用火焰筒-炉膛模型分析不同一二次风配风结构旋流燃烧器燃烧流场分布，通过仿真结果获取炉膛
中轴线上温度值分布曲线，计算火焰长度；理论分析横截面处的流速分布与仿真获得的流速分布差的大小，通过计算获取平均温度及Nox、CO、CO2的质量浓度；通过火焰长度、平均温度及各烟气组分质量浓度，从燃烧效率、加热效果和污染物排放三个方面判断一二次风配风结构的燃烧质量。其中，火焰长度越长，对炉膛加热越均匀，平均温度越高，加热效果越好；CO质量浓度越低，CO2质量浓度越高，燃烧效率越高；Nox质量浓度越低，排放污染物越少，评判燃烧质量越好。
[0008] 本发明所述的基于CFD技术的旋流燃烧器燃烧质量评判方法是通过以下技术方案来实现的：
[0009] 其方法具体包括：
[0010] a、建立不同一二次风配风结构的燃烧器空气流域模型。
[0011] 所述燃烧器空气流域模型根据不同的一二次风配风结构建立多个，每一开度值对应一个燃烧器空气流域模型。
[0012] b、根据燃烧器额定功率和燃料种类计算所需燃料流速、进风
门空气流速和相应
雷诺数。
[0013] c、将不同一二次风配风结构燃烧器空气流域模型进行网格划分，对划分好的网格导入CFD，设置空气材料属性、边界类型及边界条件，仿真计算获得不同一二次风配风结构燃烧器内空气流场分布。
[0014] 其中，在边界类型及边界条件设置中，设置条件包括有：湍流流动模型和
层流流动模型。
[0015] d、通过对一次风管出口截面进行积分，获得不同一二次风配风结构相应的一二次风配比。
[0016] e、建立火焰筒-炉膛模型，火焰筒-炉膛模型中包含燃烧器旋流器。
[0017] 火焰筒-炉膛模型在不同一二次风配风结构的仿真中采用同一个模型。燃烧器旋流器可以消除燃烧器内部流场分布的影响，简化模型设计，减少计算量。
[0018] f、根据燃烧器额定功率、燃料种类及得到的一二次风配比计算火焰筒-炉膛模型各空气、燃料入口的
流体速度和雷诺数。
[0019] g、将火焰筒-炉膛模型进行网格划分，对划分好的网格导入CFD，设置流体材料属性、边界类型及边界条件，仿真计算燃烧器燃烧流场分布。
[0020] 其中，在边界类型及边界条件的设置中，设置条件包括有：根据燃料种类与燃烧器燃烧方式选择燃烧模型，如：采用非预混燃烧模型或预混燃烧模型，使用环形燃气出口和/或中心燃气出口等方式。
[0021] h、获取炉膛中轴线上温度分布曲线及温度值，计算火焰长度。
[0022] 其中，当火焰外轮廓区域处于稳定时温度达到最高，此时确定炉膛中轴线上温度分布曲线及炉膛中轴线上火焰轮廓坐标，并根据火焰筒出口坐标和火焰外围坐标计算火焰长度。
[0023] i、利用CFD技术对炉膛各烟气成分分别进行体积积分，计算平均温度及Nox、CO、CO2的质量浓度。
[0024] j、通过火焰长度、平均温度及各烟气组分质量浓度，从燃烧效率、加热效果和污染物排放三个方面判断不同一二次风配风结构的燃烧质量。
[0025] k、重复上述步骤e至j，直至不同一二次风配比燃烧流场仿真计算及燃烧评判完成。
[0026] 所述不同一二次风配风结构燃烧器空气流域及火焰筒-炉膛模型采用三维建模软件建立。
[0027] 本发明提供的技术方案的有益效果是：
[0028] 通过建立不同一二次风配风结构燃烧器空气流域及火焰筒-炉膛模型，仿真计算不同一二次风配风结构燃烧器内空气流场分布及相应地燃烧器燃烧流场分布，从而计算出火焰长度、平均温度及Nox、CO、CO2质量浓度，从燃烧效率、加热效果和污染物排放三个方面进行燃烧质量评判，实现了任意一二次风配风结构的旋流燃烧器快速、有效的燃烧模拟计算，减少了计算量，为旋流燃烧器运行和优化设计提供参考依据，为不同一二次风配风结构燃烧质量优劣提供评判依据，弥补了CFD技术中旋流燃烧器燃烧效果评判方法的空白。
附图说明
[0029] 图1是基于CFD技术的旋流燃烧器燃烧效果评判方法
流程图；
[0030] 图2为三个不同二次风门开度炉膛中
心轴线温度分布曲线图。
具体实施方式
[0031] 下面结合附图1、图2，以三个不同二次风门开度下功率10MW的旋流燃烧器燃气燃烧CFD仿真与燃烧质量评判过程作为实施方式，对本发明作进一步地详细描述，其实施过程只是其中一个举例，并不会对本发明保护范围产生任何限制。
[0032] 具体实施步骤包括：
[0033] 步骤1、建立燃烧器空气流域模型。
[0034] 设置三个不同二次风门开度的燃烧器空气流域模型，并分别记为15°、30°、45°。
[0035] 步骤2、根据燃烧器额定功率和燃料种类计算所需燃料流速、进风门空气流速和相应雷诺数
[0036] 已知燃烧器额定工作时，实际单位时间内所需空气量V0＝2.8866m3/s，空2
气量进口面积S＝0.295776m，则有 如进气口为矩形，其边长
为a＝711mm，b＝416mm，则其等效
水力直径为 雷诺数为
-1/8
湍流强度I＝0.16(Re) ≈0.03。其中，出口设置为
大气压力条件。
[0037] 步骤3、对三个不同二次风门开度的燃烧器空气流域模型进行网格划分。
[0038] 本例中，四面体网格系统单元数量约为7,895,667。
[0039] 步骤4、对划分好的网格导入CFD求解，设置空气材料属性、边界类型及边界条件，仿真计算获得三个不同二次风门燃烧器内空气流场分布。
[0040] 其中，边界类型及边界条件设置为湍流流动模型。
[0041] 步骤5、通过对一次风管出口截面进行积分获得一次风量，求得三个不同二次风门开度相应的一二次风配比。如下表1：
[0042] 表1
[0043]
[0044]
[0045] 步骤6、对是否完成所有一二次风结构进行判断，如完成，继续下述步骤。
[0046] 步骤7、建立火焰筒-炉膛模型。
[0047] 火焰筒-炉膛模型中包含燃烧器旋流器，可以消除燃烧器内部流场分布的影响。本例中，火焰筒-炉膛模型为一个，三个不同开度的燃烧器空气流域模型与一个相同的火焰筒-炉膛模型相对应。
[0048] 步骤8、根据燃烧器额定功率、燃料种类及得到的一二次风配比计算火焰筒-炉膛模型各空气、燃料入口的流体速度和雷诺数。
[0049] 已知燃料消耗量Vr，设置边界条件首先需要计算达到燃烧器预定功率10MW时所需的实际空气量，燃气所需理论空气量计算公式为： 其中， 为0
天然气的热值。燃气实际所需空气量计算公式：V＝αV，式中，α为空气过量系数。实际
0
单位时间内所需空气量公式：Vk ＝Vr·V，其中，Vr为燃料消耗量。
[0050] 流体流速计算公式为： 其中，V0为所需流体体积流量，A为流体出口截面积。流体管道水力直径公式： 式中，A为管道的浸润横截面积，P为管道横截面-1/8的浸润周长。湍流强度公式：I＝0.16×(Re) ，其中，雷诺数为 v是流体的运动
粘度。
[0051] 步骤9、对火焰筒-炉膛模型进行网格划分。
[0052] 步骤10、设置流体材料属性、边界类型及边界条件，对划分好的网格导入CFD求解，仿真计算燃烧器燃烧流场分布。
[0053] 本例中，选择非预混燃烧模型，火焰筒-炉膛模型燃烧方式采用环形
喷嘴管道燃气燃烧方式和中心气枪燃气燃烧方式。
[0054] 具体计算结果如表2：
[0055] 表2
[0056]
[0057] 步骤11、当火焰外轮廓区域温度达到稳定时，提取炉膛中轴线上温度分布曲线和温度值，确定炉膛中轴线上火焰轮廓坐标，根据火焰筒出口坐标和火焰外围坐标计算火焰长度，并利用CFD对炉膛各烟气成分分别进行体积积分，计算平均温度及Nox、CO、CO2的质量浓度。
[0058] 步骤12、依次对三个开度的二次风配比燃烧流场进行仿真计算，获取相关火焰长度、平均温度及各烟气组分质量浓度参数，并对是否完成所有一二次风配比进行判断。
[0059] 如图2所示，火焰内部空气含量较少，燃烧不充分，温度较低；越往外，燃烧越充分，温度越高，确定温度达到较高、较稳定的2020K时火焰外轮廓区域处于稳定状态，此时，确定炉膛中轴线上火焰轮廓坐标。
[0060] 具体计算结果如表3所示：
[0061] 表3
[0062]
[0063] 步骤13、通过火焰长度、平均温度及各烟气组分质量浓度，从燃烧效率、加热效果和污染物排放三个方面评判二次风门开度的燃烧质量。
[0064] 从表3中可以看出，15°、30°、45°三个不同二次风门开度对旋流燃烧器燃烧质量有较大影响，其中，二次风门开度为45°时，虽然在三个开度中CO质量浓度最高、CO2质量浓度最低，表明其燃烧效率最低，但其火焰长度最长，平均温度最高，对炉膛加热最平均、加热效果最好，Nox质量浓度最低，污染物排放最少，因此判定二次风门开度为45°的燃烧质量为三个开度中最佳。
[0065] 至此，整个评判过程完成。
[0066] 以上所述仅为本发明的较佳
实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明精神和原则之内所作的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
