背景及意义

在全球能源短缺、环境污染问题口益严峻的大背景下，节能环保己成为各国面临的重要问题。提高传统能源的生成和利用效率是缓解能源短缺和环境污染的重要手段之一。

煤炭作为一种重要能源，在中国一次能源生产和消费结构中占有极大比重，在国民经济和可持续发展中具有极其重要的地位。目前，煤炭占据我国一次能源的76%左右，预计到2015年，我国煤炭仍将占据一次能源消费比重的63%，火力发电是我国电力发展的主力军，2010年，我国电力装机总容量为9.5亿千瓦，其中火电装机容量为7亿千瓦，占总发电量的73.68%左右，预计在未来的很多年内，我国都会以火力发电为主，到2020年火电所占比重仍然会高达60%左右

锅炉燃烧效率上一个微小的提高，都将节省下大量的原煤，也就意味着能多发大量电力。在我国的电站锅炉中，不管是国产的125MW机组至目前1000MW机组，还是引进技术制造的，绝大部分采用四角切向燃烧方式。可以毫不夸张地说，我国的四角切圆燃烧技术己经口趋成熟，四角切向燃烧方式在相当长的时间内，仍将是我国电站锅炉采用的主要燃烧方式。

四角切圆的燃烧方式是将煤粉(一次风)和二次风在炉膛四角与炉膛中心一假想切圆相切的方式喷入炉膛，实现煤粉的切圆燃烧。四角切圆的燃烧方式下，可以实现空气分级供风、燃料分级的燃烧，煤粉在炉内行程长，炉内停留时间长，并且受邻角高温烟气的直接冲刷，强化了燃烧。因而具有炉膛充满度好，扰动大、有利于燃烬、低负荷稳燃、低NOx排放等一系列优点，是当前国际先进的一种燃烧方式。四角切圆的燃烧方式的煤种适应性强，特别适合我国煤种多样化的国情。

如何提高煤粉燃烧效率和燃烧稳定性，对我国这样一个产煤大国的可持续发展具有重要意义。目前，我国大部分火力发电机组的锅炉均为煤粉炉，其燃烧过程中所需的煤粉由布置在炉膛上的煤粉燃烧器提供，对煤粉射流燃烧的深刻认识是高效、清洁的燃烧设备优化设计和运行的基础。

由于燃烧过程是一个伴有流动、传热传质和化学反应的极其复杂的物理化学过程，要得到高效、稳定的燃烧过程，必须合理地组织燃烧室内燃烧动力场，使温度、速度、燃料及氧化剂的浓度分布处于最佳状态。而对其研究的难点主要表现在四个方面:首先，颗粒中的水分蒸发、气相挥发、异相反应等所引起的气相质量、动量、能量的变化，对流体或气相中湍流过程的影响;第二，颗粒质量的变化对气相湍流的影响;第三是颗粒的弥散性质使得其自身的物理化学过程亦相当复杂;第四是湍流对颗粒反应的影响。此外，在湍流燃烧系统中，不仅有涡旋的不规则运动，而且不同大小的涡旋、不同组分的涡旋之间互相祸合和渗透，湍流流动和化学反应之间存在强烈的相互作用和影响，湍流可以强化反应物和产物的混合从而影响平均化学反应速率，化学反应会影响湍流强度和湍流结构，其放热过程使得气流温度升高，从而使气流速度发生变化。

其中，在煤粉射流燃烧过程中，对炉内组分浓度、速度等物理量的精确测量十分困难，为此难以采用实验研究的手段得到详尽、可靠的测量参数，而数值模拟由于具有快速、高效、经济、安全的特点得到了广泛关注。其基本思路就是以计算流体力学、计算传热学、计算燃

烧学、数值分析学和现代计算机为基础，运用数值模拟方法和理论进行求解，即建立守恒方程组，然后通过数值方法求解微分方程组。随着计算流体力学、计算燃烧学以及现代计算机软硬件技术的快速发展，采用数值模拟方法以分析煤粉射流的燃烧特性被认为是一种切实有效的研究手段。近几十年来，流动、传热传质和化学反应的数值模拟理论得到了快速的发展。目前，许多大型商业软件如FLUENT, CFX, CHEMK工N等己经成为强有力的燃烧过程数值模拟工具，在能源动力、航空航天、化工冶金等领域得到了广泛的应用。数值模拟可以预测换热器、燃烧器、工业炉、流体机械中的真实过程，得到工程设计所需要的详细数据，成为进行先进燃烧技术研究、燃烧系统优化和改进设计的有力工具。

气固两相流是一个只有几十年发展历史的新兴学科，但它在许多工程技术领域都有着重要的作用，发展速度很快，如在采矿工业中煤炭的洗选，矿石的预加工预处理，建材工业中的水泥窑，环保工业中的除尘设备，化学工业中的填料塔及流化床反应器中都存在着大量的气固两相流问题。煤粉的制备，干燥，输送及风粉混合和分离过程流化床燃烧技术中煤的流化过程及流化方式均是气固两相流的重要研究课题。

目前，气固多相流的相关技术己渗透到许多工业部门，并且往往成为设备的安全经济运行，开发新的工艺，研制新型气固输送、分离、燃烧等设备的关键技术。过去与气固流动有关的计算、设计大多停留在经验为主的水平上。现在随着测试技术和数值计算方法的迅速发展，气固多相流的研究达到了一个新的水平，成为国际上的学术前沿领域，同时也是我国国民经济急待解决的课题。

工程气固多相流动是多相流动中的一个主要研究方向。近20年来，国内外许多研究者对气固多相流动特性进行了广泛的实验研究和理论研究，取得了一定的成果。但是，由于影响气固多相流动的因素很复杂，又涉及到流体力学、热力学、传热传质学、燃烧学和流变学等许多相关的基础学科，故迄今为止气固多相流动的内在规律，特别是气固多相流动中气相和颗粒相(高浓度颗粒相)之间的湍流相互作用等问题，仍远未被人们所了解，气固多相流动中许多重要的关键问题的基础研究工作仍有待于进一步研究。对气固多相流动的深入研究可以为工程实际问题中遇到的复杂的气固多相流提供理论依据和试验指导，因此具有重要的工程实用意义。