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龐杰，張健
(清華大學工程力學系，北京100084)
摘要：在生物質顆粒的湍流多相燃燒中，氣相速度的湍流脈動對顆粒運動起著不容忽視的作用，而氣相溫度的湍流脈動是否會對生物質顆粒的瞬時溫度產生影響則是有待探討的問題。該文對置于有溫度脈動的熱氣流中的生物質顆粒的瞬時溫度變化過程進行了理論分析與計算，表明顆粒溫度也會隨氣相發生脈動。顆粒溫度脈動的幅度受到氣相溫度脈動強度的影響，氣相溫度脈動強度的增大會導致顆粒溫度脈動的增強。顆粒Reynolds數的增大加強了顆粒與氣體之間的對流換熱，減小了顆粒的溫度弛豫時間，從而加快了顆粒對氣相溫度的響應，增大了顆粒溫度脈動的幅度。
目前，世界能源消費中化石能源即煤、石油和天然氣仍然占主導地位。化石能源為一次性不可再生能源，貯量有限。同時，化石能源的燃燒排放出大量的SO2、NOx、CO2及粉塵等，造成嚴重的環境污染和全球氣候問題。為此，生物質等可再生能源受到人們越來越多的重視。生物質能具有貯量豐富，可再生，全生命周期零CO2排放，低N、S含量以及來源廣泛等特點。生物質的熱化學轉化如燃燒是利用生物質能的重要方式之一。
在生物質燃燒技術的發展中，數值模擬正發揮著日益重要的作用。對生物質顆粒湍流多相燃燒的數值模擬，需要合理地描述生物質顆粒的運動與燃燒特性。生物質顆粒在燃燒室內的運動與燃燒非常復雜，受到許多因素的共同作用，如氣體對顆粒的阻力和對流傳熱、兩相輻射傳熱、氣相湍流和湍流燃燒，以及顆粒自身的熱解與焦炭異相反應等。同時，生物質顆粒也有著與其他固體燃料顆粒不同的一些特點，如尺寸較大、形狀較不規則、密度較低、反應活性較高等。
對于在實際燃燒室湍流燃燒流場中運動與燃燒的生物質顆粒，氣相速度的湍流脈動對顆粒的瞬時運動有不容忽視的影響。對生物質湍流多相燃燒的數值模擬已考慮到了湍流一顆粒運動的相互作用。然而，對于粒徑范圍在100μm以上的生物質燃料顆粒，湍流是否會對顆粒的瞬時溫度和瞬時反應產生影響則是有待進一步探討的問題。為此，本文對生物質顆粒在有溫度脈動的熱氣流中的瞬時溫度響應過程進行了理論分析與計算，研究了氣相溫度脈動對顆粒瞬時溫度變化的影響。
1生物質顆粒能量方程
為便于分析，假定生物質顆粒為球形。由于顆粒Biot數接近于0.1，其內部溫度可視為均勻分布。對置于燃燒室熱氣流中的單個生物質顆粒，若考慮顆粒與氣體之間的對流傳熱和顆粒與燃燒室壁面之間的輻射傳熱，而暫不考慮顆粒的相變與反應，則生物質顆粒的瞬時能量方程可表示為
2計算工況參數
為研究氣相溫度脈動對生物質顆粒瞬時溫度變化的影響，設顆粒處在的熱氣流具有空間分布均勻但隨時間脈動變化的溫度。氣體瞬時溫度隨時間的變化為
3計算結果與分析
圖1a一1c分別給出了在氣相平均溫度為600、800和1100K時生物質顆粒與氣相瞬時溫度隨時間的變化。計算中顆粒直徑分別取為100、150和200μm，氣相溫度脈動強度取為0.1，顆粒Reyn-olds數取為0。可以看到，在不同的氣相平均溫度下，受氣相溫度脈動的作用，100μm顆粒的瞬時溫度呈現出脈動的變化，但脈動幅度要比氣相溫度的脈動幅度小。150μm顆粒的瞬時溫度也有一定的脈動，但脈動幅度要更小一些。200μm顆粒的瞬時溫度則脈動更弱。
將氣相瞬時溫度的表達式(9)代人生物質顆粒能量方程(2)中，忽略輻射傳熱項，并取顆粒溫度弛豫時間為常數，可得到能量方程的分析解為
從式(10)可以看到，當氣相瞬時溫度存在脈動時，顆粒瞬時溫度也會出現脈動，隨顆粒直徑及顆粒溫度弛豫時間的增大，顆粒溫度的脈動幅度減小。從式(10)還可以看到，隨顆粒直徑或顆粒溫度弛豫時間的減小，式(10)右端的指數項隨時間的衰減變快，即粒徑相對較小的顆粒對氣相瞬時溫度的變化響應較快，而粒徑較大的顆粒對氣相瞬時溫度的變化則響應較慢，這與圖1的結果是一致的。在相同的條件下，由計算得到的顆粒瞬時溫度隨時間的變化與式(10)給出的分析解是較為接近的，說明了本文計算的合理性。
圖2a一2c給出了氣相溫度脈動強度對顆粒瞬時溫度的影響。氣相平均溫度取為800K，顆粒Reynolds數取為0。從圖2a可以看到，氣相溫度脈動強度對100μm顆粒的瞬時溫度有較明顯的影響。增大氣相溫度脈動強度導致顆粒瞬時溫度的峰值增大，谷值降低，但峰值增大的程度要大于谷值降低的程度。從圖2b可以看到，氣相溫度脈動強度對150μm顆粒的瞬時溫度有一定的影響，導致顆粒瞬時溫度的峰值增大。從圖2c可以看到，氣相溫度脈動強度對200μm顆粒的瞬時溫度影響相對較弱，增大氣相溫度脈動強度也導致顆粒瞬時溫度的峰值有所增大。從圖2還可以看到，當顆粒直徑相對較小時，考慮氣相溫度脈動的顆粒瞬時溫度是在圍繞不考慮氣相溫度脈動的顆粒瞬時溫度上下脈動。當顆粒直徑逐漸增大時，考慮氣相溫度脈動的顆粒瞬時溫度的谷值逐漸接近于不考慮氣相溫度脈動的顆粒瞬時溫度。這意味著隨顆粒直徑的增大，相對于不考慮氣相溫度脈動的顆粒瞬時溫度，氣相溫度脈動使顆粒瞬時溫度升高的趨勢逐漸增強。這是由于在顆粒直徑較大時，顆粒瞬時溫度升高引起的氣相熱導率變化會使顆粒溫度弛豫時間減少及顆粒對氣相溫度響應變快的趨勢有所增強。
圖3a一3c給出了顆粒Reynolds數對顆粒瞬時溫度的影響。氣相平均溫度取為800K，氣相溫度脈動強度取為0.1。可以看到，顆粒Reynolds數對不同粒徑即100、150和200μm顆粒的瞬時溫度均有較明顯的影響，增強了顆粒瞬時溫度的脈動。由于顆粒Reynolds數越大，氣體與顆粒對流傳熱的Nuk就越大，這導致顆粒溫度弛豫時間減小。因此，在顆粒Reynolds數增大時，顆粒能夠更快地跟隨氣相產生溫度的脈動，且脈動幅度增大。從圖3可以看到，顆粒Reynolds數為10和20的顆粒瞬時溫度較為接近，與顆粒Reynolds數為0時的顆粒瞬時溫度差別相對較大。這是由于顆粒Reyn—olds數從10增加到20比從0增加到10時，顆粒與氣體間Nuk的增加量要小。
上述分析與計算盡管未考慮顆粒的相變與反應，但在有顆粒相變與反應的條件下，例如在生物質顆粒的燃燒或氣化中，顆粒的材料密度或粒徑會下降，導致顆粒的溫度弛豫時間會降低，預計氣相溫度脈動仍然會對顆粒的瞬時溫度產生影響。因此，在對燃燒室內生物質顆粒燃燒或氣化的模擬中，應考慮到氣相溫度的湍流脈動對顆粒溫度變化的作用。
4結論
本文對置于有溫度脈動的熱氣流中粒徑為100～200μm的生物質顆粒溫度的瞬時響應過程進行了理論分析和計算，得到如下結論：
1)在不同的氣相平均溫度下，氣相溫度脈動對100μm顆粒的瞬時溫度有較明顯的影響，對150μm顆粒瞬時溫度也有一定的作用，導致顆粒瞬時溫度呈現出脈動式變化。
2)增大氣相溫度脈動強度會導致不同粒徑即100、150和200μm顆粒瞬時溫度的峰值增大。與不考慮氣相溫度脈動的顆粒瞬時溫度相比，氣相溫度脈動使顆粒瞬時溫度升高的趨勢隨顆粒直徑的增加而逐漸增強。
3)顆粒Reynolds數對100～200μm顆粒的瞬時溫度均有較明顯的影響。增大顆粒Reynolds數會加快顆粒對氣相溫度的瞬時響應，使顆粒瞬時溫度脈動的幅度增大。 |
