脉动燃烧器尾管流动

脉动燃烧器概况

脉动燃烧器主要由混合室、 脉冲点火器 、燃烧室、 尾管组成。其工作过程与亥尔姆霍兹型脉动燃烧器的工作过程类似 , 工作原理如下 :燃气和空气通过 供气装 置和风机经喷口进 入混合室 , 由于气 流方 向都是指向混合室中心的 , 所 以燃气和空气可以得到比较充分的混合 。在 混合室的尾部 (通向燃烧室的一侧 ), 火花塞或脉冲点火器将混合气体点燃 。燃烧伴随着放热使燃烧室内的压力上升 。当燃烧室内的压力上升到大于混合室内的压 力时 , 混合室内的气体不能流入燃 烧室 , 燃烧室内热燃气虽然会进入混合室 , 但 由于燃气和空气喷口的面积都很小 阻力很大 , 再加上喷口前的压力 , 所以热燃气 不会倒流到风机或燃气供 气装置中 , 随着混合 室内不断的气体供 应 , 热燃气只能沿尾 管向后流动、 膨胀 排出 , 燃烧室内的压 力也随之下降 。 由于高速流动着的气柱 的惯性作用, 在燃烧室压力 下降到低于尾管出口的外界压力时 , 燃烧 产物仍继续排出 , 造成燃烧室内部分真 空形成负压 。当燃烧室压力下降到低于混合室 出口的压力时 ,新鲜的空气和燃气 又重新进入燃烧室 。与此同时 , 部分燃烧产物 又从尾管回流到燃烧室 , 其后跟着 把新鲜冷空气吸入尾管 。两股气流对燃烧室内 介质进行压缩 ,使燃烧室内压力回 升 。混合后的新鲜燃料和空气又被热燃气加热 , 自动地被未灭的火焰 点燃 , 开始 燃烧 、 放热 , 开 始了新 一周 期的燃烧排 气过程 。 这个周期性的燃烧过程自行循环 , 不需要再点火, 能一直工作下去 。

脉冲燃烧器的特点

(1)脉冲燃烧器结构简单而紧凑、性能可靠 ;

(2)脉冲燃烧器正常运行后, 正压排出烟气, 负压吸入助燃空气(即脉冲燃烧器的自吸特性), 无需耗费电能;

(3)脉动燃烧器可以在很低的过量空气工作条件下达到很高的燃烧效率 ;

(4) NOx的排放量低, 在相同的热负荷下, 不到一般燃烧器排放量的 %;

(5)脉动燃烧器的燃烧强度高 , 传热系数高 ;

(6)脉动燃烧本身工作原理所决定的 , 运行时噪音大;

(7)负荷调节比小 , 对于一定燃烧器结构, 在保证稳定 、 完全燃烧的前提下 ,

其负荷范围相当窄 ;

(8)脉冲燃烧器通常只能在单一的频率下运行, 受到限制 。

脉动燃烧器尾管流动与传热难点分析

脉动燃烧器没有 广泛使用的主要原因在于人们对它的设计 理论及方法还缺乏充分地了解 。目前已开展的关于脉动燃烧研究的大多数都是针对 脉动燃烧的工程应用问题进行的 , 但是人们对这一形式的燃烧过程在理论上尚 缺少足够的认识 ,对燃烧室内压力振 荡幅度影响因素的认识还很混乱 。尤其尾 管作为脉动燃烧器重要组成部分 , 尾管 中的流体在已有的研究中所使用多为空气 、 水 等粘性较小的物料, 与实际生产中 流体性质相差较大 , 从前人的研究结果可知 , 至今还没有人考虑温度变化对流 体物性的影响尾管传热 。所以脉动燃烧器流 动与传热物性变化的影响和在工业上 的应用将会成为研究的热点。 随着研究的深入 , 相信脉动流动强化传热会在工业生产中得到广泛的应用 。

脉动燃烧器尾管流动与传热研究的难点在于:

(1)边界层模型的建立

根据尾管流动与 传热的物理特性建立本课题所需要的数 学模型 , 需要考虑可实现性和相容性等 数学物理限制及粘性和近壁等各种复杂影响 , 并且尾管中温度对热燃气烟气 的密度影响很大, 且与固体壁表面与之间还存在辐射传热, 推导出完整解在数学上具有相当大的困难, 需要继续完善 。

(2)初始、 边界条件的确定

对于求解动态问 题 , 由于初始值是由观察或者推算得来的物 理量 , 因而不可避免的会有误差 。 如果随着过程的发展 , 扰动会无限增长 , 则一般而言 , 要求解这样的问题在物理 上就没有意义 。 因此，初值问题应当稳定 , 任 何初始扰动在过程发展中都将自动 衰减或受控在一定限度之内 ;关于边界条件给 定也应该恰当 ,如果给定的条件超 定或是不定的 , 即条件有多余和矛盾或是不可 少的 , 则必导致相对于边界扰动的 不稳定性 , 样的边界条件是不恰当的 。 所以根 据具体情况 , 确定准确的初始、边界条件是研究的第二个难点 。

(3)边界层流动计算和主流区流动解能否匹配

湍流中近壁区 的边界层方程虽已确定 , 但怎么把近壁区 的方程离散求解和主流区的方 程离散求解联系起来 , 把两者的相邻的 控制体积的节点变量 值联系起来, 在划 分网格时 , 把边界层网格与主流区的网 格联系起来成为研究的第三难点。