煤粉炉中一次风稀相流动的固态颗粒和流速关系
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注：此图是固相容积系数为 0.025 时的结论；（a）x / d=10 、（b）x / d= 20、（c）x / d=40，■ 代表气 相；●代表固相。
（a）
（b）
（c）
图 2 气固两相轴向平均速度分布示意图 注：此图是固相容积系数为 0.002 时的结论；（a）x / d=10 、（b）x / d= 20、（c）x / d=40，■ 代表气相；
g
+
β
(vg
−
vs
)
+
∇τ s
应力关联式
气相：τ g
=
µgε g [∇vg
+ ∇vTg ] −
2 3
µ gε g ∇vg
固相：τ s
=
µ s [∇vs
+ ∇vsT
]+
(ξs
−
2 3
µs )∇vs
-1-
固相脉动能量方程：
3∂ [
2 ∂t
(εs ρsθ ) + ∇(εs ρsθ vs )]
●代表固相。
-3-
5 结论
水平管道中对颗粒运动影响最大的因素分别为气流对颗粒的拽力，颗粒和颗粒、颗粒与 气体的碰撞。当颗粒速度较小时，气流对颖粒的影响加大，碰撞造成的能量损失减小。对气 流速度的选择，应综合考虑其对颗粒加速、颗粒携带、颗粒碰撞及阻力的影响。根据实验结 果，水平管出口平均流速可选 12m/s 左右。
参考文献
[1] 王福军. 计算流体动力学分析——CFD 软件原理与应用[M]. 北京: 清华大学出版社. 2004:7~13 [2] 孙 锐,孙绍增,李争起,高继慧,吴少华,秦裕琨. 媒粉浓缩器内气固两相流动特性的数值模拟[J]. 机械工
程学报, 2004,40(3):35~39 [3] 李 斌,陈听宽,崔凝. SIMPLEX 算法与其它算法收敛特性的比较[J]. 华北电力大学学报, 2004(3):51～55 [4] 岑可法,樊建人. 工程气固多相流的理论及计算[M]. 杭州：浙江大学出版社，1990.
2 数学模型
在气固两相流中应用 Euler 型控制体，气相和颗粒相假设为连续介质。这样,可用偏微分 方程描述每一相的平衡定律，而在相界面上,则用突跃条件表示这些平衡定律。在气固两相 流动中，气相的湍流脉动对颗粒脉动有很大的影响，同时颗粒的存在也使气相的湍流结构发 生变化［2］。为简化计算,本文采用双流体模型。
= ∇(ks∇θ ) − rθ
− 3βθ gθ
3 数值模拟
本文采用耦合法来求解水平气流流场，即考虑颗粒相对流体相的影响，其具体步骤为［3］： （1）求解连续相流场； （2）通过计算加入的每一个分散相的颗粒轨迹来引入分散相； （3）在计算颗粒之前，考虑动量，热量和质量的互相交换，重新计算连续相流场； （4）再次调整连续相流场，重新计算分散相轨迹； （5）重复前两个步骤，直到连续相流场和分散相轨迹的计算收敛到不再附加的变化为 止。 边界条件 气相边界 （1）进口边界 假定入口截面上气体轴向速度服从光滑管中充分发展湍流流动；而径向
1 引言
随着国民经济的快速发展，国家对电力的要求越来越高。我国超过 90%的电厂都是火 力发电。为了进一步提高煤粉炉的燃烧效率，目前高浓度燃烧技术在我国已经有了较为深入 的研究，并且在大中型电厂锅炉有了广泛的应用。主要采用煤粉浓缩器使得一次风在流道上 分为浓淡两股气流，其中一股含高浓度的煤粉颗粒，另一股的煤粉浓度较低，两股气流以一 定的角度被吹入炉膛内，利用煤粉浓度的不同合理组织燃烧，使得燃烧具有高效，稳燃，防 结渣和防腐蚀的燃烧特性。本文应用气固两相流理论就一次风中低浓度煤粉颗粒在水平通道 输送过程中的流动特性进行分析，找出颗粒浓度与风速的关系，为合理组织燃烧提供有利的 数据[1]。
滞减;对于第二种流况，由于提高了固体质量输送比，被加速。第一种流况，气相沿中心线(轴线)的速度随着离开
进口距离的增加而递减；而第二种流况，气相速度沿轴向却在增加，这表明对于浓度高的气
固两相流两相间的动量交换十分强烈，从而使两相速度同时被加速，这也是第二种流况中两
质量守恒
气相：
∂ ∂t
(ε
g
ρg
)
+
∇(ε
g
ρg
vg
)
=
0
动量守恒
固相：
∂ ∂t
(ε
s
ρs
)
+
∇(ε
s
ρs
vs
)
=
0
气相：
∂ ∂t
(ε
g
ρ g vg
)
+
∇(ε g
ρ g vg vg
)
=
−∇Pg
+
ε
g
ρg
g
+
β
(vs
−
vg
)
+
∇τ
g
固相：
∂ ∂t
(εs ρsvs
)
+
∇(εs ρsvsvs
)
=
−∇Ps
+ εs ρg
burner
JI Junhong
School of Mechanicl Engineering，Liaoning Technical University，Fuxin，Liaoning（123000) Abstract
In applying high concentration burning technique to improving burning efficiency for pulverized coal burner, for studying the effect of solid flows of different concentration on burning, Euler mathematical model is set up using gas-solid two phase flow theory. The paper describes the low concentration pulverized coal in horizontal primary air pipe. The relationship between the velocity and concentration of gas phase and that of solid phase, and the effect of gas flow velocity on gas-solid two-phase flows, is arrived through calculating the flow field. Reasonable gas flow velocity is proposed. The calculating results can provide basis for designing and operating burner of large scale power stations. Keywords：gas –solid two phase theory，Euler mathematic model，reasonable gas velocity.
煤粉炉中一次风稀相流动的固态颗粒和流速关系
纪俊红
辽宁工程技术大学机械学院，辽宁阜新（123000）
E-mail：ji_jh@
摘 要：在应用高浓度燃烧技术提高煤粉炉的燃烧效率时，为了研究不同浓度固相流动对燃 烧的影响，应用气固两相流理论建立 Euler 数学模型对一次风水平管道中低浓度的煤粉颗粒 进行了描述，通过求解流场，得到了管内气相和固相的速度和浓度的分布关系，及其气体流 速对气固两相流动的影响，并提出合理气流速度。计算结果可为大型电站燃烧器设计和运行 提供依据。 关键词：气固两相流，Euler 数学模型，合理流速 中图分类号： X705
速度为零；湍流动能 k 取为来流平均动能的 1％；湍流动能耗散率 ε = 0.1k 2 。
（2）出口边界 取充分发展的管流条件，即求解的各变量的法向导数均取为零。 （3）壁面 取为无滑移的条件。 固相边界条件 （1）进口边界 取均匀入口条件；而径向速度为零；颗粒湍动动量取为来流平均动能的 0.8％。 （2）出口边界 取充分发展的管流条件。 （3）壁面 对于颗粒在固体壁面附近边界层流动，径向速度为零；对于平行于壁面方向 的轴向速度以及湍动动能的边界需要综合考虑。 对上述方程应用插分方法进行插分计算，得到插分方程，然后采用 SIMPIE 算法求解一 次风流场。两相插分方程均采用 TDMA 迭代，并引入参数修正技术加以收敛［4］［5］。
相间滑移速度要比第一种流况中两相间滑移速度小的原因。
-2-
1.6 1.5 1.4 1.3 1.2
0
1
2
（a）
1.4
1.3
1.2
1.1
3
0
1
2
3
4
（b）
2 .2 2 .0 1 .8 1 .6 1 .4
0
1
2
3
4
（c）
图 1 气固两相轴向平均速度分布示意图
4 模拟结果及其分析
计算中颗粒的 dm
= 150µm ，ρm
=
2700kg / m3 ，在
x d0
= 10, 20, 40 的空间截面上的
平均轴向流速的计算值曲线图，第一组为 εx = 0.002 ，第二组 εx = 0.025 。
下图（论文中图横坐标均为 x/d0,纵坐标为 v/v0）为相对于不同阶段下颗粒的平均流速示 意图。对于第一种流况，固体颗粒速度首先沿轴向被加速，随后由于曳引力作用，沿轴向被
[5] R.Pan, Material properties and flow modes in pneumatic conveying, Powder Technology, 1999:157~163.
Relationship between solid pulverized coal and flow velocity of low concentration flow of primary air for pulverized coal
-4-
（a）
（b）
（c）
图 2 气固两相轴向平均速度分布示意图 注：此图是固相容积系数为 0.002 时的结论；（a）x / d=10 、（b）x / d= 20、（c）x / d=40，■ 代表气相；
g
+
β
(vg
−
vs
)
+
∇τ s
应力关联式
气相：τ g
=
µgε g [∇vg
+ ∇vTg ] −
2 3
µ gε g ∇vg
固相：τ s
=
µ s [∇vs
+ ∇vsT
]+
(ξs
−
2 3
µs )∇vs
-1-
固相脉动能量方程：
3∂ [
2 ∂t
(εs ρsθ ) + ∇(εs ρsθ vs )]
●代表固相。
-3-
5 结论
水平管道中对颗粒运动影响最大的因素分别为气流对颗粒的拽力，颗粒和颗粒、颗粒与 气体的碰撞。当颗粒速度较小时，气流对颖粒的影响加大，碰撞造成的能量损失减小。对气 流速度的选择，应综合考虑其对颗粒加速、颗粒携带、颗粒碰撞及阻力的影响。根据实验结 果，水平管出口平均流速可选 12m/s 左右。
参考文献
[1] 王福军. 计算流体动力学分析——CFD 软件原理与应用[M]. 北京: 清华大学出版社. 2004:7~13 [2] 孙 锐,孙绍增,李争起,高继慧,吴少华,秦裕琨. 媒粉浓缩器内气固两相流动特性的数值模拟[J]. 机械工
程学报, 2004,40(3):35~39 [3] 李 斌,陈听宽,崔凝. SIMPLEX 算法与其它算法收敛特性的比较[J]. 华北电力大学学报, 2004(3):51～55 [4] 岑可法,樊建人. 工程气固多相流的理论及计算[M]. 杭州：浙江大学出版社，1990.
2 数学模型
在气固两相流中应用 Euler 型控制体，气相和颗粒相假设为连续介质。这样,可用偏微分 方程描述每一相的平衡定律，而在相界面上,则用突跃条件表示这些平衡定律。在气固两相 流动中，气相的湍流脉动对颗粒脉动有很大的影响，同时颗粒的存在也使气相的湍流结构发 生变化［2］。为简化计算,本文采用双流体模型。
= ∇(ks∇θ ) − rθ
− 3βθ gθ
3 数值模拟
本文采用耦合法来求解水平气流流场，即考虑颗粒相对流体相的影响，其具体步骤为［3］： （1）求解连续相流场； （2）通过计算加入的每一个分散相的颗粒轨迹来引入分散相； （3）在计算颗粒之前，考虑动量，热量和质量的互相交换，重新计算连续相流场； （4）再次调整连续相流场，重新计算分散相轨迹； （5）重复前两个步骤，直到连续相流场和分散相轨迹的计算收敛到不再附加的变化为 止。 边界条件 气相边界 （1）进口边界 假定入口截面上气体轴向速度服从光滑管中充分发展湍流流动；而径向
1 引言
随着国民经济的快速发展，国家对电力的要求越来越高。我国超过 90%的电厂都是火 力发电。为了进一步提高煤粉炉的燃烧效率，目前高浓度燃烧技术在我国已经有了较为深入 的研究，并且在大中型电厂锅炉有了广泛的应用。主要采用煤粉浓缩器使得一次风在流道上 分为浓淡两股气流，其中一股含高浓度的煤粉颗粒，另一股的煤粉浓度较低，两股气流以一 定的角度被吹入炉膛内，利用煤粉浓度的不同合理组织燃烧，使得燃烧具有高效，稳燃，防 结渣和防腐蚀的燃烧特性。本文应用气固两相流理论就一次风中低浓度煤粉颗粒在水平通道 输送过程中的流动特性进行分析，找出颗粒浓度与风速的关系，为合理组织燃烧提供有利的 数据[1]。
滞减;对于第二种流况，由于提高了固体质量输送比，被加速。第一种流况，气相沿中心线(轴线)的速度随着离开
进口距离的增加而递减；而第二种流况，气相速度沿轴向却在增加，这表明对于浓度高的气
固两相流两相间的动量交换十分强烈，从而使两相速度同时被加速，这也是第二种流况中两
质量守恒
气相：
∂ ∂t
(ε
g
ρg
)
+
∇(ε
g
ρg
vg
)
=
0
动量守恒
固相：
∂ ∂t
(ε
s
ρs
)
+
∇(ε
s
ρs
vs
)
=
0
气相：
∂ ∂t
(ε
g
ρ g vg
)
+
∇(ε g
ρ g vg vg
)
=
−∇Pg
+
ε
g
ρg
g
+
β
(vs
−
vg
)
+
∇τ
g
固相：
∂ ∂t
(εs ρsvs
)
+
∇(εs ρsvsvs
)
=
−∇Ps
+ εs ρg
burner
JI Junhong
School of Mechanicl Engineering，Liaoning Technical University，Fuxin，Liaoning（123000) Abstract
In applying high concentration burning technique to improving burning efficiency for pulverized coal burner, for studying the effect of solid flows of different concentration on burning, Euler mathematical model is set up using gas-solid two phase flow theory. The paper describes the low concentration pulverized coal in horizontal primary air pipe. The relationship between the velocity and concentration of gas phase and that of solid phase, and the effect of gas flow velocity on gas-solid two-phase flows, is arrived through calculating the flow field. Reasonable gas flow velocity is proposed. The calculating results can provide basis for designing and operating burner of large scale power stations. Keywords：gas –solid two phase theory，Euler mathematic model，reasonable gas velocity.
煤粉炉中一次风稀相流动的固态颗粒和流速关系
纪俊红
辽宁工程技术大学机械学院，辽宁阜新（123000）
E-mail：ji_jh@
摘 要：在应用高浓度燃烧技术提高煤粉炉的燃烧效率时，为了研究不同浓度固相流动对燃 烧的影响，应用气固两相流理论建立 Euler 数学模型对一次风水平管道中低浓度的煤粉颗粒 进行了描述，通过求解流场，得到了管内气相和固相的速度和浓度的分布关系，及其气体流 速对气固两相流动的影响，并提出合理气流速度。计算结果可为大型电站燃烧器设计和运行 提供依据。 关键词：气固两相流，Euler 数学模型，合理流速 中图分类号： X705
速度为零；湍流动能 k 取为来流平均动能的 1％；湍流动能耗散率 ε = 0.1k 2 。
（2）出口边界 取充分发展的管流条件，即求解的各变量的法向导数均取为零。 （3）壁面 取为无滑移的条件。 固相边界条件 （1）进口边界 取均匀入口条件；而径向速度为零；颗粒湍动动量取为来流平均动能的 0.8％。 （2）出口边界 取充分发展的管流条件。 （3）壁面 对于颗粒在固体壁面附近边界层流动，径向速度为零；对于平行于壁面方向 的轴向速度以及湍动动能的边界需要综合考虑。 对上述方程应用插分方法进行插分计算，得到插分方程，然后采用 SIMPIE 算法求解一 次风流场。两相插分方程均采用 TDMA 迭代，并引入参数修正技术加以收敛［4］［5］。
相间滑移速度要比第一种流况中两相间滑移速度小的原因。
-2-
1.6 1.5 1.4 1.3 1.2
0
1
2
（a）
1.4
1.3
1.2
1.1
3
0
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（b）
2 .2 2 .0 1 .8 1 .6 1 .4
0
1
2
3
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（c）
图 1 气固两相轴向平均速度分布示意图
4 模拟结果及其分析
计算中颗粒的 dm
= 150µm ，ρm
=
2700kg / m3 ，在
x d0
= 10, 20, 40 的空间截面上的
平均轴向流速的计算值曲线图，第一组为 εx = 0.002 ，第二组 εx = 0.025 。
下图（论文中图横坐标均为 x/d0,纵坐标为 v/v0）为相对于不同阶段下颗粒的平均流速示 意图。对于第一种流况，固体颗粒速度首先沿轴向被加速，随后由于曳引力作用，沿轴向被
[5] R.Pan, Material properties and flow modes in pneumatic conveying, Powder Technology, 1999:157~163.
Relationship between solid pulverized coal and flow velocity of low concentration flow of primary air for pulverized coal
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