鄭州達(dá)冠生物質(zhì)燃燒機湍流流場的測量

提要在生物質(zhì)濃縮生物質(zhì)燃燒機中加入示蹤顆粒，利用激光多普勒測速技術(shù)對湍流流場的速度場及湍流參數(shù)進(jìn)行測量研究，通過自動數(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)燃燒機的速度及湍流強度分布，為鈍體的選型和生物質(zhì)燃燒機的設(shè)計、著火燃燒機理的分析提供了理論依據(jù)

1引言

生物質(zhì)燃燒機是生物質(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)對生物質(zhì)著火、燃燒、傳熱氣流流動等過程均有極大影響，而就空氣動力學(xué)本身而言，氣流的湍流參數(shù)也是重要研究對象過去只能用畢托管測量速度場等來研究生物質(zhì)生物質(zhì)燃燒機冷態(tài)空氣動力特性，但衡量生物質(zhì)燃燒機性能好壞的更重要標(biāo)志是湍流強度，從生物質(zhì)著火穩(wěn)燃角度出發(fā)，希望生物質(zhì)燃燒機出有較強的湍流強度，以加強熱質(zhì)交換因為湍流是一種隨機過程，其脈動量具有較高頻率，要在各方面都使被測量的記錄盡可能不失真是非常困難的，常規(guī)測速儀無法測定脈動的速度因此。生物質(zhì)生物質(zhì)燃燒機湍流參數(shù)的測量長期困擾著人仉

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量流體速度的激光測量技術(shù)。后來由Golds tein[2等作了進(jìn)一步發(fā)展并用于湍流測量。1964年世界上首次出現(xiàn)了激光多普勒測速儀（LDAI 30多年來，因激光測量具有非接觸空間分辨率蒜動態(tài)響應(yīng)快、測量范圍寬、方向靈敏性好等優(yōu)點而有很大發(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TSI公司的一臺激光多普勒測速儀，對濃縮型生物質(zhì)燃燒機出口流場及湍流參數(shù)進(jìn)行了測定和研究。本文主要介紹這方面的工作

2激光多普勒效應(yīng)和測量原理

激光測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運動狀態(tài)時，觀察者所接收到的光頻將是變化的，頻率變化量與相對速度的大／J＼方向和激光波長有關(guān)。當(dāng)光源與觀察者的相對運動使兩者距離減小時。頻率增高。反之頻率減蟲當(dāng)靜止觀察者f或接收器）接收從運動物體散射的光時，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)

激光多普勒測速技術(shù)就是根據(jù)這一原理實現(xiàn)的，根據(jù)文獻(xiàn)[7]，相對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：e為兩束光的聚焦角；Af為多普勒頻差信號，單位k Hz由式(1)可看出。當(dāng)k e -定時，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速的關(guān)系式

3美國T SI-LDV系統(tǒng)特點和數(shù)

據(jù)統(tǒng)計方法

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

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。光電檢測器和相應(yīng)的機械調(diào)整機構(gòu)。T Sl-LDV光路系統(tǒng)特點有：

11激光器：采用30 mW功率、623. 8t/m波長的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。即測量點。這種光路優(yōu)點是兩束光不須任何調(diào)整就能聚為一點，十分方便，并能捉高測量點的功率密度。減少測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，通過調(diào)焦裝置，使聚焦點剛好落在光電檢測器上。

41光檢測器：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信號處理系統(tǒng)

信號處理器為美國TSI公司90年代的高智能流動分析儀IF A550濾波范圍為1 k Hz至15 M Hz該儀器能自動濾掉噪音，選擇信號范匭采用頻率計數(shù)法處理數(shù)據(jù)。不存在由于粒子在測量體積內(nèi)停留時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及兼容機聯(lián)機處理數(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。

3.3數(shù)據(jù)處理軟件包

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

4 1試驗裝置和方法

濃縮生物質(zhì)燃燒機模型按1：4 45比例縮小制做，整個試驗裝置系統(tǒng)如圖2所示圖2生物質(zhì)燃燒機流場測量系統(tǒng)示意圖

根據(jù)激光多普勒測速儀原理，實際上測得的是流體中粒子的運動速度因此，測量時需加入示蹤顆粒，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在激光多普勒測速中。散射粒子除滿足以上兩點外，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合適范圍。并與測量體的干涉條紋寬度相配。粒子太大，跟隨性不好，且會削弱信號強度；粒子太小，響應(yīng)頻率低，信號微弱。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／c ffl3為宜‘81

這次試驗使用了美國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／c ITI3

4 2測量結(jié)果及分析

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

測量是在代表性的生物質(zhì)燃燒機出口中間水平截面上進(jìn)行的，每隔5 mm間距測一點。試驗結(jié)果全由計算機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)燃燒機出口速度場和湍流強度測量結(jié)果o

回流區(qū)的湍流強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“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（即湍流動能逆轉(zhuǎn)區(qū)）。主流和回流介質(zhì)發(fā)生強烈的動量和質(zhì)量交換。如果在流動過程中發(fā)生燃燒反應(yīng)，則在這一區(qū)域，可強化可燃?xì)饬髋c回流煙氣的熱質(zhì)交換，并造成強烈擾動。有利于燃料的著火和燃燒。鈍體形狀對生物質(zhì)燃燒機出口流場分布也很有影響對波形全翻邊鈍體。因波紋錯位及翻邊結(jié)構(gòu)的雙重影響，使射流在回流區(qū)邊界面附近出現(xiàn)強烈擾動，在濃側(cè)湍流強度高達(dá)66. 72Vo，淡側(cè)湍流強度達(dá)6CV-/O，帶翻邊鈍體次之，濃側(cè)和淡側(cè)湍流強度分別為48%和34%。而普通鈍體相對小。濃側(cè)和淡側(cè)湍流強度只有3鈮和33r/o。所有鈍體生物質(zhì)燃燒機出口流場分布較相似，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)燃燒機出口湍流強度在射流核心區(qū)基本恒定。其值約為ly/o～207/0．而在外邊界。湍流強度增加到34%。

由上述分析可見，波形全翻邊鈍體的湍流強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)局部富集于強烈湍流交換區(qū)域。因此波形全翻邊鈍體生物質(zhì)燃燒機具有很好的穩(wěn)燃條件。

回流區(qū)大小順序為帶翻邊鈍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)燃燒機湍流流場的測量是成功的，測量方便，結(jié)果正確，得到的數(shù)據(jù)對生物質(zhì)燃燒機的設(shè)計和穩(wěn)燃機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)燃燒機流場測量提供了一種很好的方法

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

生物質(zhì)氣化站，