平展流冷态湍流场的PIV测量

　　引　言

　　平展流燃烧是一种普遍存在的工业燃烧现象,轧钢加热炉所采用的平焰燃烧器就是平展流燃烧的一个典型代表,平焰燃烧器的使用降低了加热炉的高度,且由于其强烈的混合作用使燃烧更加充分,在钢铁等企业得到了广泛的应用〔1〕。平展流是由强旋流通过扩散形射流通道喷出而获得的,其表观特征是火焰贴附着燃烧室壁面向四周伸展,形成一圆盘形薄层,即形成张角为180°的平展火焰。目前,人们对工业燃烧过程提出了愈来愈高的节能与环保要求,因此从节约能源与减少污染物排放角度来研究燃烧过程,引起了科技工作者的广泛关注,而气体流动与混合是燃烧进行的基础与保障,因此有必要对平展流燃烧过程的输运特性进行详细的研究〔2〕。尽管有不少平焰燃烧流场的报道,但仅仅停留在局部点速度、压力的测量上〔3〕,及数值模拟求解上〔4,5〕,有关湍流流场的详细理论探讨还没有文献报道。

　　本文应用PIV技术对平展流冷态速度场进行测量,通过测量燃烧区内径向速度和轴向速度分布规律,讨论烧嘴下方主要燃烧区的速度分布特点,研究旋流空气、回流烟气在燃烧区内的混合对燃烧的影响。从而为进一步研究热态流场,优化热态流场结构奠定基础。

　　1　实验模型

　　冷态实验模型是依热态实验炉模型为基准,按相似理论的用等温介质模拟非等温过程的原则而设计的。该冷态实验模型由炉体、燃烧器、PIV测量系统、烟雾发生器、送引风系统等组成,实验模型如图1所示。其中炉体由有机玻璃制成,尺寸是以热态实验炉为基准,模型的几何相似比C1选1,其长∶宽∶高=1800∶1044∶800。平焰燃烧器为自己研制的液化石油气平焰燃烧器,结构如图2所示。该燃烧器是将助燃空气旋转,产生切向速度,在喇叭形扩张口内与直吹下来的燃气混合后而使其燃烧,模型的冷空气分别模拟助燃空气和液化石油气。实验测量了模拟液化石油气空气流量26·3/h、助燃空气流量510/h;燃烧器旋流强度1·76;喇叭形扩张口的曲率半径150mm工况下的速度场特性。

　　2　PIV测量系统

　　本实验所采用的PIV测量系统是美国TSI公司的产品。主要由激光器、同步器、CCD镜头及图像处理系统组成。其中激光器系统是由两台YAG120-15E激光器及光路调整系统封装成一体的,输出激光波长为532nm。最大输出功率120mJ/pulse,激光功率以及两脉冲时间间隔均可以连续地调节,本实验中采用的两脉冲间隔是60μs。CCD相机的分辨率是1660×1220像素。由于燃烧区域的对称性,并依据热态实验的火焰盘尺寸,实验中速度场测量范围取与轴心重合的x-y平面内350mm×250mm矩形区域,具体测量区域如图2所示。实验中所用的示踪粒子是由TSI公司配带的9308烟雾发生器产生的,烟雾平均粒径约为5μm,这种粒径的粒子有较好的流动跟随性和光学散射性,对流场的跟随性一般在95%以上。测量时连续拍摄50对瞬时照片,然后对50对瞬时照片取其平均值,仅对速度场的平均值进行分析、讨论。