鄭州達(dá)冠生物質(zhì)燃燒機(jī)湍流流場(chǎng)的測(cè)量

提要在生物質(zhì)濃縮生物質(zhì)燃燒機(jī)中加入示蹤顆粒，利用激光多普勒測(cè)速技術(shù)對(duì)湍流流場(chǎng)的速度場(chǎng)及湍流參數(shù)進(jìn)行測(cè)量研究，通過自動(dòng)數(shù)據(jù)采集及處理分析系統(tǒng)，獲得不同鈍體結(jié)構(gòu)的生物質(zhì)濃縮生物質(zhì)燃燒機(jī)的速度及湍流強(qiáng)度分布，為鈍體的選型和生物質(zhì)燃燒機(jī)的設(shè)計(jì)、著火燃燒機(jī)理的分析提供了理論依據(jù)

1引言

生物質(zhì)燃燒機(jī)是生物質(zhì)鍋爐的關(guān)鍵技術(shù)設(shè)備。燃燒器風(fēng)粉氣流的湍流結(jié)構(gòu)對(duì)生物質(zhì)著火、燃燒、傳熱氣流流動(dòng)等過程均有極大影響，而就空氣動(dòng)力學(xué)本身而言，氣流的湍流參數(shù)也是重要研究對(duì)象過去只能用畢托管測(cè)量速度場(chǎng)等來研究生物質(zhì)生物質(zhì)燃燒機(jī)冷態(tài)空氣動(dòng)力特性，但衡量生物質(zhì)燃燒機(jī)性能好壞的更重要標(biāo)志是湍流強(qiáng)度，從生物質(zhì)著火穩(wěn)燃角度出發(fā)，希望生物質(zhì)燃燒機(jī)出有較強(qiáng)的湍流強(qiáng)度，以加強(qiáng)熱質(zhì)交換因?yàn)橥牧魇且环N隨機(jī)過程，其脈動(dòng)量具有較高頻率，要在各方面都使被測(cè)量的記錄盡可能不失真是非常困難的，常規(guī)測(cè)速儀無法測(cè)定脈動(dòng)的速度因此。生物質(zhì)生物質(zhì)燃燒機(jī)湍流參數(shù)的測(cè)量長(zhǎng)期困擾著人仉

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頻移來測(cè)量流體速度的激光測(cè)量技術(shù)。后來由Golds tein[2等作了進(jìn)一步發(fā)展并用于湍流測(cè)量。1964年世界上首次出現(xiàn)了激光多普勒測(cè)速儀（LDAI 30多年來，因激光測(cè)量具有非接觸空間分辨率蒜動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、測(cè)量范圍寬、方向靈敏性好等優(yōu)點(diǎn)而有很大發(fā)展。已在許多領(lǐng)域得到應(yīng)用p 61

近年來我們利用美國(guó)TSI公司的一臺(tái)激光多普勒測(cè)速儀，對(duì)濃縮型生物質(zhì)燃燒機(jī)出口流場(chǎng)及湍流參數(shù)進(jìn)行了測(cè)定和研究。本文主要介紹這方面的工作

2激光多普勒效應(yīng)和測(cè)量原理

激光測(cè)速原理是基于多普勒效應(yīng)并采用光外差或干涉條紋模型進(jìn)行魄當(dāng)激光源與觀察者處于相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，觀察者所接收到的光頻將是變化的，頻率變化量與相對(duì)速度的大／J＼方向和激光波長(zhǎng)有關(guān)。當(dāng)光源與觀察者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)使兩者距離減小時(shí)。頻率增高。反之頻率減蟲當(dāng)靜止觀察者f或接收器）接收從運(yùn)動(dòng)物體散射的光時(shí)，也可觀察到類似現(xiàn)象這種現(xiàn)象在物理學(xué)上稱為光學(xué)多普勒效應(yīng)

激光多普勒測(cè)速技術(shù)就是根據(jù)這一原理實(shí)現(xiàn)的，根據(jù)文獻(xiàn)[7]，相對(duì)速度與頻率的變化關(guān)系式為。礦為在兩束相交光線的平面內(nèi)速度矢量沿垂直于兩束入射光夾角的等分線方向的分量：入為入射光波長(zhǎng)：e為兩束光的聚焦角；Af為多普勒頻差信號(hào)，單位k Hz由式(1)可看出。當(dāng)k e -定時(shí)，速度礦直接與多普勒頻△廠成線性關(guān)系，這就是一元多普勒測(cè)速的關(guān)系式

3美國(guó)T SI-LDV系統(tǒng)特點(diǎn)和數(shù)

據(jù)統(tǒng)計(jì)方法

如圖所示，美國(guó)TS1公司的激光多普勒測(cè)速測(cè)量系統(tǒng)包括三部分，即光路系統(tǒng)（含機(jī)械調(diào)整系統(tǒng)、信號(hào)處理系統(tǒng)和顯示部分、數(shù)據(jù)處理軟件包探測(cè)器輸出示動(dòng)顆粒

3.1光路系統(tǒng)

光路系統(tǒng)包括激光器、光學(xué)發(fā)射及收集裝置。光電檢測(cè)器和相應(yīng)的機(jī)械調(diào)整機(jī)構(gòu)。T Sl-LDV光路系統(tǒng)特點(diǎn)有：

11激光器：采用30 mW功率、623. 8t/m波長(zhǎng)的He-Ne激光器。

2)光路結(jié)構(gòu)：雙散射光束型激光器發(fā)射的光經(jīng)分光鏡分成二束強(qiáng)度相等的平行光束，然后經(jīng)聚焦透鏡使兩束光交叉在一點(diǎn)。即測(cè)量點(diǎn)。這種光路優(yōu)點(diǎn)是兩束光不須任何調(diào)整就能聚為一點(diǎn)，十分方便，并能捉高測(cè)量點(diǎn)的功率密度。減少測(cè)量體積的直徑提高空間分辨率。

31接收裝置：包括接收透鏡和聚焦透鏡，把散射光聚為一點(diǎn)，通過調(diào)焦裝置，使聚焦點(diǎn)剛好落在光電檢測(cè)器上。

41光檢測(cè)器：采用光電二極管

51接收方式：前向散射和后向散射均可使甩

T SI-L DV光路系統(tǒng)能獲得很好信噪比S／Ⅳ，并有足夠分辨率，調(diào)整使用方便，工作穩(wěn)定可靠

3.2信號(hào)處理系統(tǒng)

信號(hào)處理器為美國(guó)TSI公司90年代的高智能流動(dòng)分析儀IF A550濾波范圍為1 k Hz至15 M Hz該儀器能自動(dòng)濾掉噪音，選擇信號(hào)范匭采用頻率計(jì)數(shù)法處理數(shù)據(jù)。不存在由于粒子在測(cè)量體積內(nèi)停留時(shí)間有限所引起的頻譜加寬誤差，因而可提高空間分辨率可用IBM及兼容機(jī)聯(lián)機(jī)處理數(shù)據(jù)。

IFA550還有多普勒頻譜輸出口，能與示波器連接顯示波形，調(diào)節(jié)光路以獲得良好的多普勒信號(hào)。

3.3數(shù)據(jù)處理軟件包

IFA550的數(shù)據(jù)由流動(dòng)信息顯示軟件fFIN D~進(jìn)行計(jì)算分析。該軟件具有相當(dāng)強(qiáng)的數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計(jì)分析、計(jì)算畫圖、實(shí)時(shí)顯示激光與光電子學(xué)進(jìn)展三維坐標(biāo)架自動(dòng)控制等功能。只要插入一塊專用接口板，就能與IBM或其它兼容機(jī)連用，十分方便。

4 1試驗(yàn)裝置和方法

濃縮生物質(zhì)燃燒機(jī)模型按1：4 45比例縮小制做，整個(gè)試驗(yàn)裝置系統(tǒng)如圖2所示圖2生物質(zhì)燃燒機(jī)流場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)示意圖

根據(jù)激光多普勒測(cè)速儀原理，實(shí)際上測(cè)得的是流體中粒子的運(yùn)動(dòng)速度因此，測(cè)量時(shí)需加入示蹤顆粒，而粒子的跟隨性和光散射能力的好壞。直接影響到測(cè)量的準(zhǔn)確性粒子的跟隨性和光散射能力與粒子的形狀．尺寸和濃度密切相關(guān)o在激光多普勒測(cè)速中。散射粒子除滿足以上兩點(diǎn)外，還耍制造容易、便宜、、不腐蝕、不揮發(fā)或難氣化．化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)息清潔等。

散射粒子尺寸通常有個(gè)合適范圍。并與測(cè)量體的干涉條紋寬度相配。粒子太大，跟隨性不好，且會(huì)削弱信號(hào)強(qiáng)度；粒子太小，響應(yīng)頻率低，信號(hào)微弱。如直徑l弘m左右的粒子，在空氣中響應(yīng)頻率超過1 kHz，振幅應(yīng)達(dá)0. 99因此，推薦的粒子尺寸為空氣中一般小于5弘m，在1弘m左右：水中一般小于10弘m，在卜Stj-m形狀為球狀關(guān)于散射粒子的濃度范圍，目前尚無定論。有關(guān)資料推薦粒子濃度以105～107個(gè)／c ffl3為宜‘81

這次試驗(yàn)使用了美國(guó)TSI公司的單嘴霧化器作為散射粒子的發(fā)射器并選擇水霧炬作散射粒子。在水中加入稀釋的甘油以防水滴過早氣化。經(jīng)霧化的水滴平均直徑可達(dá)2弘m。濃度為106個(gè)／c ITI3

4 2測(cè)量結(jié)果及分析

測(cè)量目的一方面是為了了解濃縮生物質(zhì)燃燒機(jī)出口處的流場(chǎng)特性，另一方面是為了分析鈍體結(jié)構(gòu)形式對(duì)生物質(zhì)燃燒機(jī)流場(chǎng)的影響，以指導(dǎo)鈍體的設(shè)ii-o圖3為濃縮生物質(zhì)燃燒機(jī)。圖4為三種不同形式的鈍體結(jié)構(gòu)

測(cè)量是在代表性的生物質(zhì)燃燒機(jī)出口中間水平截面上進(jìn)行的，每隔5 mm間距測(cè)一點(diǎn)。試驗(yàn)結(jié)果全由計(jì)算機(jī)FIND軟件處理，圖5及圖6為普通鈍體、帶翻邊鈍體、波形全翻邊鈍體及無鈍體獻(xiàn)淡分離板保留1生物質(zhì)燃燒機(jī)出口速度場(chǎng)和湍流強(qiáng)度測(cè)量結(jié)果o

回流區(qū)的湍流強(qiáng)度較之來流有明顯增大，一般為30qc～607/0，并在零流線附近出現(xiàn)峰值，形成一個(gè)“雙峰”值分布。如將鈍體后的湍流分布與自由射流中的湍流分布相比，可發(fā)現(xiàn)湍流結(jié)構(gòu)有很大變化在鈍體后回流區(qū)邊界附近區(qū)域（即湍流動(dòng)能逆轉(zhuǎn)區(qū)）。主流和回流介質(zhì)發(fā)生強(qiáng)烈的動(dòng)量和質(zhì)量交換。如果在流動(dòng)過程中發(fā)生燃燒反應(yīng)，則在這一區(qū)域，可強(qiáng)化可燃?xì)饬髋c回流煙氣的熱質(zhì)交換，并造成強(qiáng)烈擾動(dòng)。有利于燃料的著火和燃燒。鈍體形狀對(duì)生物質(zhì)燃燒機(jī)出口流場(chǎng)分布也很有影響對(duì)波形全翻邊鈍體。因波紋錯(cuò)位及翻邊結(jié)構(gòu)的雙重影響，使射流在回流區(qū)邊界面附近出現(xiàn)強(qiáng)烈擾動(dòng)，在濃側(cè)湍流強(qiáng)度高達(dá)66. 72Vo，淡側(cè)湍流強(qiáng)度達(dá)6CV-/O，帶翻邊鈍體次之，濃側(cè)和淡側(cè)湍流強(qiáng)度分別為48%和34%。而普通鈍體相對(duì)小。濃側(cè)和淡側(cè)湍流強(qiáng)度只有3鈮和33r/o。所有鈍體生物質(zhì)燃燒機(jī)出口流場(chǎng)分布較相似，中間回流區(qū)域大，兩邊小，而在射流外邊界又增大。無鈍體生物質(zhì)燃燒機(jī)出口湍流強(qiáng)度在射流核心區(qū)基本恒定。其值約為ly/o～207/0．而在外邊界。湍流強(qiáng)度增加到34%。

由上述分析可見，波形全翻邊鈍體的湍流強(qiáng)度要比普通鈍體大一倍左右，比無鈍體射流大3倍左右。由于濃淡分離作用使?jié)饪s生物質(zhì)局部富集于強(qiáng)烈湍流交換區(qū)域。因此波形全翻邊鈍體生物質(zhì)燃燒機(jī)具有很好的穩(wěn)燃條件。

回流區(qū)大小順序?yàn)閹Х呪g體波形翻邊鈍體及普通鈍體速度也因濃淡分離擋板的影響，濃側(cè)平均速度大于淡側(cè)約1%。

5結(jié)論

11 TSI-LDV用于濃縮生物質(zhì)燃燒機(jī)湍流流場(chǎng)的測(cè)量是成功的，測(cè)量方便，結(jié)果正確，得到的數(shù)據(jù)對(duì)生物質(zhì)燃燒機(jī)的設(shè)計(jì)和穩(wěn)燃機(jī)理分析有重激光與光電子學(xué)進(jìn)展要的意義為生物質(zhì)生物質(zhì)燃燒機(jī)流場(chǎng)測(cè)量提供了一種很好的方法

2)測(cè)量表明，鈍體生物質(zhì)燃燒機(jī)出口回流區(qū)湍流強(qiáng)度較大，特別是波形全翻邊鈍體，湍流強(qiáng)度達(dá)6醌。且湍流強(qiáng)度分布在回流區(qū)邊界附近，這將大大增強(qiáng)回流區(qū)內(nèi)高溫?zé)煔馀c主氣流之間的熱質(zhì)交換，對(duì)生物質(zhì)的著火和穩(wěn)燃均十分有利。試驗(yàn)證明。帶波形全翻邊鈍體的生物質(zhì)濃縮生物質(zhì)燃燒機(jī)能強(qiáng)化生物質(zhì)的著火和燃燒。

生物質(zhì)氣化站，