郑州达冠生物质燃烧机湍流流场的测量

提要在生物质浓缩生物质燃烧机中加入示踪颗粒，利用激光多普勒测速技术对湍流流场的速度场及湍流参数进行测量研究，通过自动数据采集及处理分析系统，获得不同钝体结构的生物质浓缩生物质燃烧机的速度及湍流强度分布，为钝体的选型和生物质燃烧机的设计、着火燃烧机理的分析提供了理论依据

1引言

生物质燃烧机是生物质锅炉的关键技术设备。燃烧器风粉气流的湍流结构对生物质着火、燃烧、传热气流流动等过程均有极大影响，而就空气动力学本身而言，气流的湍流参数也是重要研究对象过去只能用毕托管测量速度场等来研究生物质生物质燃烧机冷态空气动力特性，但衡量生物质燃烧机性能好坏的更重要标志是湍流强度，从生物质着火稳燃角度出发，希望生物质燃烧机出有较强的湍流强度，以加强热质交换因为湍流是一种随机过程，其脉动量具有较高频率，要在各方面都使被测量的记录尽可能不失真是非常困难的，常规测速仪无法测定脉动的速度因此。生物质生物质燃烧机湍流参数的测量长期困扰着人仉

1964年Y．Yeh相H．Z．Cummins[11首先提出和使用利用散射激光束的多普勒频移来测量流体速度的激光测量技术。后来由Golds tein[2等作了进一步发展并用于湍流测量。1964年世界上首次出现了激光多普勒测速仪（LDAI 30多年来，因激光测量具有非接触空间分辨率蒜动态响应快、测量范围宽、方向灵敏性好等优点而有很大发展。已在许多领域得到应用p 61

近年来我们利用美国TSI公司的一台激光多普勒测速仪，对浓缩型生物质燃烧机出口流场及湍流参数进行了测定和研究。本文主要介绍这方面的工作

2激光多普勒效应和测量原理

激光测速原理是基于多普勒效应并采用光外差或干涉条纹模型进行魄当激光源与观察者处于相对运动状态时，观察者所接收到的光频将是变化的，频率变化量与相对速度的大／J＼方向和激光波长有关。当光源与观察者的相对运动使两者距离减小时。频率增高。反之频率减虫当静止观察者f或接收器）接收从运动物体散射的光时，也可观察到类似现象这种现象在物理学上称为光学多普勒效应

激光多普勒测速技术就是根据这一原理实现的，根据文献[7]，相对速度与频率的变化关系式为。矿为在两束相交光线的平面内速度矢量沿垂直于两束入射光夹角的等分线方向的分量：入为入射光波长：e为两束光的聚焦角；Af为多普勒频差信号，单位k Hz由式(1)可看出。当k e -定时，速度矿直接与多普勒频△厂成线性关系，这就是一元多普勒测速的关系式

3美国T SI-LDV系统特点和数

据统计方法

如图所示，美国TS1公司的激光多普勒测速测量系统包括三部分，即光路系统（含机械调整系统、信号处理系统和显示部分、数据处理软件包探测器输出示动颗粒

3.1光路系统

光路系统包括激光器、光学发射及收集装置。光电检测器和相应的机械调整机构。T Sl-LDV光路系统特点有：

11激光器：采用30 mW功率、623. 8t/m波长的He-Ne激光器。

2)光路结构：双散射光束型激光器发射的光经分光镜分成二束强度相等的平行光束，然后经聚焦透镜使两束光交叉在一点。即测量点。这种光路优点是两束光不须任何调整就能聚为一点，十分方便，并能捉高测量点的功率密度。减少测量体积的直径提高空间分辨率。

31接收装置：包括接收透镜和聚焦透镜，把散射光聚为一点，通过调焦装置，使聚焦点刚好落在光电检测器上。

41光检测器：采用光电二极管

51接收方式：前向散射和后向散射均可使甩

T SI-L DV光路系统能获得很好信噪比S／Ⅳ，并有足够分辨率，调整使用方便，工作稳定可靠

3.2信号处理系统

信号处理器为美国TSI公司90年代的高智能流动分析仪IF A550滤波范围为1 k Hz至15 M Hz该仪器能自动滤掉噪音，选择信号范匦采用频率计数法处理数据。不存在由于粒子在测量体积内停留时间有限所引起的频谱加宽误差，因而可提高空间分辨率可用IBM及兼容机联机处理数据。

IFA550还有多普勒频谱输出口，能与示波器连接显示波形，调节光路以获得良好的多普勒信号。

3.3数据处理软件包

IFA550的数据由流动信息显示软件fFIN D~进行计算分析。该软件具有相当强的数据采集、统计分析、计算画图、实时显示激光与光电子学进展三维坐标架自动控制等功能。只要插入一块专用接口板，就能与IBM或其它兼容机连用，十分方便。

4 1试验装置和方法

浓缩生物质燃烧机模型按1：4 45比例缩小制做，整个试验装置系统如图2所示图2生物质燃烧机流场测量系统示意图

根据激光多普勒测速仪原理，实际上测得的是流体中粒子的运动速度因此，测量时需加入示踪颗粒，而粒子的跟随性和光散射能力的好坏。直接影响到测量的准确性粒子的跟随性和光散射能力与粒子的形状．尺寸和浓度密切相关o在激光多普勒测速中。散射粒子除满足以上两点外，还耍制造容易、便宜、、不腐蚀、不挥发或难气化．化学性质稳息清洁等。

散射粒子尺寸通常有个合适范围。并与测量体的干涉条纹宽度相配。粒子太大，跟随性不好，且会削弱信号强度；粒子太小，响应频率低，信号微弱。如直径l弘m左右的粒子，在空气中响应频率超过1 kHz，振幅应达0. 99因此，推荐的粒子尺寸为空气中一般小于5弘m，在1弘m左右：水中一般小于10弘m，在卜Stj-m形状为球状关于散射粒子的浓度范围，目前尚无定论。有关资料推荐粒子浓度以105～107个／c ffl3为宜‘81

这次试验使用了美国TSI公司的单嘴雾化器作为散射粒子的发射器并选择水雾炬作散射粒子。在水中加入稀释的甘油以防水滴过早气化。经雾化的水滴平均直径可达2弘m。浓度为106个／c ITI3

4 2测量结果及分析

测量目的一方面是为了了解浓缩生物质燃烧机出口处的流场特性，另一方面是为了分析钝体结构形式对生物质燃烧机流场的影响，以指导钝体的设ii-o图3为浓缩生物质燃烧机。图4为三种不同形式的钝体结构

测量是在代表性的生物质燃烧机出口中间水平截面上进行的，每隔5 mm间距测一点。试验结果全由计算机FIND软件处理，图5及图6为普通钝体、带翻边钝体、波形全翻边钝体及无钝体献淡分离板保留1生物质燃烧机出口速度场和湍流强度测量结果o

回流区的湍流强度较之来流有明显增大，一般为30qc～607/0，并在零流线附近出现峰值，形成一个“双峰”值分布。如将钝体后的湍流分布与自由射流中的湍流分布相比，可发现湍流结构有很大变化在钝体后回流区边界附近区域（即湍流动能逆转区）。主流和回流介质发生强烈的动量和质量交换。如果在流动过程中发生燃烧反应，则在这一区域，可强化可燃气流与回流烟气的热质交换，并造成强烈扰动。有利于燃料的着火和燃烧。钝体形状对生物质燃烧机出口流场分布也很有影响对波形全翻边钝体。因波纹错位及翻边结构的双重影响，使射流在回流区边界面附近出现强烈扰动，在浓侧湍流强度高达66. 72Vo，淡侧湍流强度达6CV-/O，带翻边钝体次之，浓侧和淡侧湍流强度分别为48%和34%。而普通钝体相对小。浓侧和淡侧湍流强度只有3铌和33r/o。所有钝体生物质燃烧机出口流场分布较相似，中间回流区域大，两边小，而在射流外边界又增大。无钝体生物质燃烧机出口湍流强度在射流核心区基本恒定。其值约为ly/o～207/0．而在外边界。湍流强度增加到34%。

由上述分析可见，波形全翻边钝体的湍流强度要比普通钝体大一倍左右，比无钝体射流大3倍左右。由于浓淡分离作用使浓缩生物质局部富集于强烈湍流交换区域。因此波形全翻边钝体生物质燃烧机具有很好的稳燃条件。

回流区大小顺序为带翻边钝体波形翻边钝体及普通钝体速度也因浓淡分离挡板的影响，浓侧平均速度大于淡侧约1%。

5结论

11 TSI-LDV用于浓缩生物质燃烧机湍流流场的测量是成功的，测量方便，结果正确，得到的数据对生物质燃烧机的设计和稳燃机理分析有重激光与光电子学进展要的意义为生物质生物质燃烧机流场测量提供了一种很好的方法

2)测量表明，钝体生物质燃烧机出口回流区湍流强度较大，特别是波形全翻边钝体，湍流强度达6醌。且湍流强度分布在回流区边界附近，这将大大增强回流区内高温烟气与主气流之间的热质交换，对生物质的着火和稳燃均十分有利。试验证明。带波形全翻边钝体的生物质浓缩生物质燃烧机能强化生物质的着火和燃烧。

生物质气化站，