火床爐炉膛内流动阻力特性分析(发表稿).docVIP

火床炉拱区流动阻力特性分析 缪正清1 窦文宇 惠世恩 徐通模 （西安交通大学，710049） 摘要：根据边界层动量积分方程结合拱区模化试验整理的拱区速度分布特性，对火床炉后拱面摩擦阻力进行了理论推导，得出了计算表达式。实例计算表明，火床炉后拱区内最大静压差主要由汇流过程中势流区的动静压转换所致，壁面摩擦阻力损失与之相比，完全可以忽略不计。其理论意义在于：合理的炉拱设计非但不会加重炉膛冒正压，而且还会给炉膛局部“增负压”。这一结论与“增加拱长必然增加炉膛冒正压倾向”的习惯判断相反，并有利于消除人们对炉拱改造的疑虑。其实践意义还在于：相当多的锅炉因炉膛“冒正压”而烧黑、烧坏炉门的现象，可通过合理设计的炉拱改造而得以顺利解决。同时本文也为炉拱结构趋向小型化提供了空气动力方面的理论依据。 关键词：火床炉, 炉拱，流动，阻力  工业锅炉行业已普遍地认识到我国火床炉燃烧的关键是炉拱，适当加长和压低炉拱(主要为后拱)应是炉拱设计和改造的原则性方向。但由于受传统的高、仰、短后拱结构的流动基础——沿拱区流动方向等速等压设计的习惯观念的影响，又将非上仰型后拱结构下出现的流体动、静压转化误认为拱区阻力，因而，在实际设计或改造炉拱时，总是因过分担心炉拱阻力过大会造成炉膛正压而保守地采用偏大的拱型尺寸，使火床燃烧的组织达不到较佳的工况。本文通过对拱区最大摩擦阻力——后拱面摩擦阻力的理论分析，澄清拱区阻力与拱区压差的不同概念。实例计算将表明，拱区实际阻力一般都很小，拱区最大压差主要来自烟气沿路径动静压转化。因此，炉拱结构趋向小型化(相对于目前的炉拱结构)，尚不至显著地增大炉内总阻力。同时，本文也为黄祥新教授于八十年代初提出的炉拱结构的小型化发展方向提供了空气动力方面的理论依据。 1 炉拱结构与后拱区流动模型 图1是前后拱分别采用人字形构成的、具有优良燃烧性能的双人字形拱组[1]。其中，后拱有前段的水平段和后段的倾斜段组成。后拱后端部与火床的距离简化为零。沿炉膛宽度方向拱区各纵截面形状相同。后拱区火床面的流速呈均匀分布，其值为。 图中，因边界层流动计算的需要，建立沿拱面的贴体坐标轴，其原点取后拱的后端点，轴与轴相垂直。 图中，各代号的说明见附录。 后拱区流动模型简化为二维、稳态、近拱面存在粘性流动边界层，边界层外主流为理想流体的等温流动。  图1.双人字形拱组示意图 1.人字形前拱 2.后拱前段 3.后拱后段 4.火床面  边界层模型为其外缘的主流速度和压力同时变化的纵掠平板层流流动。 2 后拱面的摩擦阻力 为了求解沿拱面的摩擦阻力，需求出沿拱面的切应力分布，为此需建立沿拱面的边界层动量积分方程。 边界层动量积分方程是经典方程，1921年由卡门导得[ 2 ]。 2.1.拱面边界层动量积分方程 对拱面边界层沿方向可建立如下动量积分方程： (1) (2) 2.2.方程的求解 边界层动量积分方程求解的关键是需要已知边界层及其外缘处的速度分布。 2.2.1.后拱面边界层外缘主流速度分布 根据拱区流场模化试验整理的拱区主流区的速度分布特性，拱区距后拱后端点水平距离为处，垂直于炉排的平面上沿高度的速度值按如下规律分布[ 3]： (3) 式中，为截面上离火床面的垂直距离，。式(3)的有效范围为。 因此，后拱区边界层外缘处的速度分布为： (4) 其速度方向接近平行于拱面。 2.2.2.边界层速度分布 根据经典求解方法，可用具有4个待定系数的多项式来表示边界层内的速度分布。即： (5) 根据边界层条件： (6) 求解式(5)、式(6)得： ，，， (7) 2.2.3. 边界层厚度的变化规律 将式(7)代入式(1)、(2)，经整理，得： (8) 由式(8)得： (9) 式(9)的通解： ) (10) 由于在将式(4)代入式(10)求后拱前段水平段上的边界层厚度时，出现了求类型的积分，因其原函数是非初等函数而难以直接求解。考虑到本来就是拟合式，故为便于积分，将在范围内按进行近似拟合。其拟合结果为，。因此式(4)可改写为： ] (4’) 式(4’)中，，. 后拱后段：，. 又令式(10)的定解条件为： ， (11) 所以，当 ，]时， (12) 式(12)代入式(10)得： 将式(11)代