受限空间剪切射流的流场特性研究
所谓湍流的“拟序结构”或“相干结构”，它是指在切变湍流中不规则地触发一种有序运动，其起始时刻和位置不确定，但一经触发，就以某种确定的顺序发展特定的运动状态。本文依托于国家高技术研究发展计划项目“基于干法联合脱除难捕集燃煤可吸入颗粒物及重金属关键技术研究”，在课题研究小组的研究平台上，研究了受限空间圆湍剪切射流的流动机理，同心剪切射流在受限空间的流动特性和不同口型同心剪切射流在受限空间卷吸特性得出了如下结论:
剪切射流的不稳定性过程可分为3个阶段:即增长阶段、失稳阶段和混合阶段。首先由于Kelvin-Helmholtz不稳定性作用，诱发了上下剪切层同时卷起一对上下对称并旋转方向相反的旋涡;随着涡流的不断前进，上下旋转方向相反的一对旋涡在彼此间的相互作用，在涡流轨迹发展的中部出现不稳定的交错排列旋涡，逐渐长大并影响到了后续涡的形成和排列;随着上下旋转方向相反的涡对之间相互作用而不断远离中线，最后到达相对稳定的发展阶段。在此阶段以后，重新生成了类似卡门涡街的更大尺寸的旋转方向相反的上下交错排列的旋涡。可以看到，大涡的生成、合并和对小涡的吞并以及相反旋转方向的大涡之间相互作用，它们引起大涡远离射流中线的运动是射流流场变厚的主要原因。
在工程应用领域，脉冲袋式除尘器在除尘领域得到非常广泛的应用，尽管清灰技术越来越成熟，但关键问题还是清灰不善导致滤袋的再生能力差，烟尘覆盖或渗透进入滤袋纤维层中难以清除，造成滤袋的过滤性能急剧下降，系统运行阻力过大，影响系统的安全、正常运行。袋式除尘器清灰技术对系统的优化设计及保证滤料使用寿命之间的关系十分紧密，因此，研究脉冲喷吹清灰机理至关重要。作者提出了射流拟序结构所产生的漩涡及压力是清灰原动力的清灰概念，即射流在受限空间产生大涡拟序结构，在涡的产生、配对、合并、破碎及重组的过程。同心剪切射流连续不规律地产生不同压力区，甚至产生负压区。这些不同压力区是由受限近壁区的涡旋呈现和作用的，涡在不断向前传递和变化，使得滤袋近壁区同一个位置在不同时刻所受到的力不断变化，从而分析出滤袋振动所产生反向加速度的动力来源是涡不断传递的过程，从本质上分析出脉冲袋式除尘器的清灰机理。同心剪切射流所具有的优良特性正好符合脉冲袋式除尘器的清灰要求，能够保护同心射流中的中心射流，合理调节主体射流的作用长度。达到相同的射流作用半径，同心剪切射流需要更少的时间，并且同心剪切射流主射流区中心射流长度更加长。
在脉冲袋式除尘器管式喷吹清灰过程中，诱导袋口上部的空气与清灰压缩空气共同进入滤袋内，通过调整喷吹参数使滤袋侧壁沿长度方向压力正峰值和压力正峰值到达时间合理分布，根据这两个因素来研究脉冲清灰效果，进而达到清灰的目的。如果反吹清灰设计不合理，反吹风量和二次诱导风总量不够，则达不到清灰效果;如果反吹风量过大会造成压缩机能量浪费。因此，射流的卷吸特性直接制约着袋式除尘器管式脉冲喷吹的清灰效果。文中作者在喷吹相同质量流量空气的前提条件下，通过对剪切射流脉冲喷吹口与传统单喷吹口卷吸特性(即卷吸量和滤袋内表面速度与压力)的对比分析，可以得出剪切射流喷吹口比传统单喷吹口在脉冲喷吹时卷吸更多的空气，提高了袋式除尘器的清灰效率。当中心射流喷吹口管的长度比周围射流喷吹口管长时，此时卷吸气体质量流量将会增加，同时也增加了滤袋内部的压力，而从滤袋边壁返流回洁净室的气流速度相对增加不大;而当中心射流喷吹管的长度比周围射流喷吹口管短时，此时卷吸的空气量减少，同时滤袋内部的压力也相应降低。在相同质量流量压缩空气的前提下，剪切射流比单射流卷吸更多的空气量进入滤袋，其中中伸剪切射流卷吸量最多，其卷吸率为8.174;由于中伸剪切流能够卷吸更多的空气，同时增大了滤袋内部的压力，而滤袋边壁返流的气流速度相应增加不大，故中伸式脉冲喷口在袋式除尘器的清灰作用更显著。
剪切射流;拟序结构;清灰机理;卷吸特性;大涡模拟;除尘领域
东华大学
硕士
热能工程
刁永发
2013
中文
O358;TK223.27
88
2013-08-02（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）