CN103698114A - 一种喷射装置的性能检测方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种喷射装置的性能检测方法，包括：获取喷射装置的圆孔射流喷口的直径D；建立气固两相圆孔射流扩散过程的数学模型；根据所述圆孔射流喷口的直径D确定所述数学模型的数值模拟参数；确定所述圆孔射流的喷入方法；根据所述数学模型、所述数值模拟参数和所述圆孔射流的喷入方法，对所述气固两相圆孔射流扩散过程进行模拟，得到模拟结果；根据所述模拟结果对所述喷射装置的扩散性能进行检测分析。本发明的方法不需要通过现场实验采集性能数据，因此相对现有技术而言，实施成本低，易操作。

Description

一种喷射装置的性能检测方法和装置

技术领域

本发明涉及喷射技术领域，尤其涉及一种喷射装置的性能检测方法和装置。

背景技术

喷射装置是煤粉电站锅炉的重要组成部分，喷射装置将煤粉喷入锅炉燃烧室内，煤粉在燃烧室内燃烧，产生热能，热能再经其他设备转换为电能。

喷射装置的性能直接决定了煤粉在进入燃烧室内后的扩散状况和燃烧效果。喷射装置将煤粉喷入燃烧室后，煤粉在初始速度的作用下开始扩散，温度也急剧上升，当温度上升至燃点并且煤粉扩散到与空气充分混合的程度，煤粉便开始燃烧。

现有技术通常采用实验的方法检测喷射装置的性能：喷射装置将不同直径不同的煤粉颗粒按照特定的速度喷入透明而封闭的容器中，然后观察特定时间内煤粉在容器内的扩散情况。煤粉在特定时间内扩散的体积越大，则其与空气的混合越充分，燃烧的效果越好。

现有技术采用实验的方法，实施成本较高，而且实验结果易受外界环境的干扰，如环境的温度、大气压等都会影响煤粉的扩散，导致实验结果无法反映喷射装置的真实性能。

发明内容

为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种喷射装置的性能检测方法和装置。所述技术方案如下：

一方面，提供了一种喷射装置的性能检测方法，所述方法包括：

获取喷射装置的圆孔射流喷口的直径D；

建立气固两相圆孔射流扩散过程的数学模型；

根据所述圆孔射流喷口的直径D确定所述数学模型的数值模拟参数；

确定所述圆孔射流的喷入方法；

根据所述数学模型、所述数值模拟参数和所述圆孔射流的喷入方法，对所述气固两相圆孔射流扩散过程进行模拟，得到模拟结果；

根据所述模拟结果对所述喷射装置的扩散性能进行检测分析。

另一方面，提供了一种喷射装置的性能检测装置，所述性能检测装置包括：

获取模块，用于获取喷射装置的圆孔射流喷口的直径D；

建模模块，用于建立气固两相圆孔射流扩散过程的数学模型；

参数模块，用于根据所述获取模块获取的圆孔射流喷口的直径D确定所述建模模块建立的数学模型的数值模拟参数；

喷入确定模块，用于确定所述圆孔射流的喷入方法；

模拟模块，用于根据所述建模模块建立的数学模型、所述参数模块获取的数值模拟参数和所述喷入确定模块确定的圆孔射流的喷入方法，对所述气固两相圆孔射流扩散过程进行模拟，得到模拟结果；

性能检测模块，用于根据所述模拟模块获取的模拟结果对所述喷射装置的扩散性能进行检测分析。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

本实施例提供的检测喷射装置性能的方法不需要通过现场实验采集性能数据，因此相对现有技术而言，实施成本低，易操作。特别地，由于检测过程是通过计算机模拟完成的，不会受到外界环境如温度、大气压等的干扰，所以模拟得出的性能数据更能反映喷射装置的真实性能。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的一种喷射装置的性能检测方法的流程示意图；

图2为本发明实施例二提供的一种喷射装置的性能检测方法的流程示意图；

图3为本发明实施例二提供的数值模拟喷射装置喷射直径为10μm的颗粒在XOZ截面上的分布图；

图4为本发明实施例二提供的数值模拟喷射装置喷射直径为30μm的颗粒在XOZ截面上的分布图；

图5为本发明实施例二提供的数值模拟喷射装置喷射直径为60μm的颗粒在XOZ截面上的分布图；

图6为本发明实施例二提供的数值模拟喷射装置喷射直径为10μm颗粒的三维扩散分布图；

图7为本发明实施例二提供的数值模拟喷射装置喷射直径为30μm颗粒的三维扩散分布图；

图8为本发明实施例二提供的数值模拟喷射装置喷射直径为60μm颗粒的三维扩散分布图；

图9为本发明实施例三提供的一种喷射装置的性能检测装置的结构示意图。

具体实施方式

喷射装置是火力发电站锅炉的重要功能部件，他将煤粉经喷口喷入锅炉的燃烧室，使煤粉在锅炉内燃烧产生热能。喷射装置的性能主要体现为能否在短时间内使喷入的煤粉与空气充分混合。在一定时间内，喷射装置喷入的煤粉在空气中扩散的范围越大，则煤粉与空气混合的越充分，煤粉的燃烧效率越高，单位时间内产生的热能越多。

本发明提出了一种采用直接数值模拟检测喷射装置性能的方法。在煤粉电站锅炉中，喷射装置喷入的煤粉和空气的混合流动是一种典型的气固两相圆孔射流。采用直接数值模拟方法模拟喷射装置喷出的煤粉射流在空气中的扩散过程，能够比较准确的得到煤粉颗粒在锅炉燃烧室内相对时间的位置变化信息。根据得到的煤粉在燃烧室内的位置变化信息就可以评估喷射装置的性能。

实施例一

本发明实施例提供了一种喷射装置的性能检测方法，参见图1，所述方法具体流程如下：

S101，获取喷射装置的圆孔射流喷口的直径D。

粉煤在喷射装置的挤压下，经过喷口形成圆孔射流进入锅炉燃烧室。

S102，建立气固两相圆孔射流扩散过程的数学模型。

所述数学模型是对气固两相圆孔射流扩散过程的合理简化和抽象，使原本复杂的扩散过程能够通过计算机进行模拟。

所述数学模型中，可以认为气体是理想的牛顿流体，煤粉颗粒是具有相同直径和密度的刚性球体，颗粒密度和气体密度的比值为2500，煤粉颗粒的直径远远小于网格的间距，颗粒对流体的动量反作用可以用点力描述。

S103，根据所述圆孔射流喷口的直径确定所述数学模型的数值模拟参数。

所述数学模型的数值模拟参数包括：扩散空间的网格分辨率，模拟步长时间和数值模拟算法。

S104，确定所述圆孔射流的喷入方式。

所述圆孔射流的喷入方式包括煤粉颗粒喷入的位置和速度之间的关系、单位时间内喷入的煤粉颗粒的数量。

S105，根据所述数学模型、所述数值模拟参数和所述圆孔射流的喷入方法，对所述气固两相圆孔射流扩散过程进行模拟，得到模拟结果。

S106，根据所述模拟结果对所述喷射装置的扩散性能进行检测分析。

同一时间内煤粉扩散越的范围越大，煤粉与空气混合的越充分，则喷射装置的性能越好。因此，可以从所述模拟结果中选择一组扩散范围最大的数据作为所述喷射装置的性能参数。

本实施例提供的检测喷射装置性能的方法不需要通过现场实验采集性能数据，因此相对现有技术而言，实施成本低，易操作。特别地，由于检测过程是通过计算机模拟完成的，不会受到外界环境如温度、大气压等的干扰，所以模拟得出的性能数据更能反映喷射装置的真实性能。

实施例二

本发明实施例提供了一种喷射装置的性能检测方法，参见图2，所述方法具体流程如下：

S201，获取喷射装置的圆孔射流喷口的直径D。

S202，确定气体的控制方程。

气体的控制方程包括：连续方程、动量方程、温度方程、状态方程。

具体而言：

连续方程为 $\frac{\∂\mathrm{\ρ}}{\∂t}+\frac{\∂\mathrm{\ρ}{u}_i}{\∂x_i}=0,$

动量方程为 $\frac{\∂\mathrm{\ρ}{u}_j}{\∂t}+\frac{\∂\mathrm{\ρ}{u}_i{u}_j}{{\∂x}_i}=-\frac{\∂P}{{\∂x}_j}+\frac{{\∂\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ij}}}{{\∂x}_i}+\mathrm{\ρ}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{Y}_k{f}_{k,j}+F_{p\→f},(j=\mathrm{1,2,3}),$

温度方程为 $\frac{\∂\mathrm{\ρT}}{\∂t}+\frac{\∂\mathrm{\ρT}{u}_i}{{\∂x}_i}+\frac{P}{C_v}\frac{\∂u_i}{\∂x_i}=[\frac{\∂}{\∂x_i}\left(\mathrm{\λ}\frac{\∂T}{{\∂x}_i}\right)+\mathrm{\Φ}]/C_v,$

温度方程整理形式： $\frac{\mathrm{D\ρT}}{\mathrm{Dt}}+\frac{P}{C_v}\frac{\∂u_i}{\∂x_i}=[-\frac{\∂q_i}{\∂x_i}+\mathrm{\Φ}]/C_v,$

状态方程： $P=\mathrm{\ρ}\frac{R_c}{\stackrel{\‾}{W}}T,$

其中，ρ是流体的密度（kg/m³），P是流体的压力（Pa），u_i是i方向的流体的速度（m/s），F_p→f是颗粒反馈到流体上的力（N），T是温度（K），R是气体常数R_c/W，R_c是通用气体常数（J/kmol·K），W是气体摩尔质量（g/mol）。

S203，确定组成所述射流的固体颗粒的控制方程。

作用于煤粉颗粒的力包括阻力、重力、滑移剪切力和滑移旋转升力，因此确定组成所述射流的固体颗粒的控制方程为：

$\frac{{\mathrm{dx}}_p}{\mathrm{dt}}=u_p,$

$m_p=\frac{{\mathrm{du}}_p}{\mathrm{dt}}=F_D+F_G+F_{\mathrm{LS}}+F_{\mathrm{LR}},$

$I_p\frac{{\mathrm{d\ω}}_p}{\mathrm{dt}}=T,$

其中，x_p是颗粒的空间位置，u_p是颗粒的线速度，ω_p是颗粒的旋转角速度，m_p是颗粒质量， $m_p=\frac{\mathrm{\π}}{6}{\mathrm{\ρ}}_p{d_p}^3={\mathrm{\ρ}}_p{V}_p,$ I_p是球状颗粒的转动惯量， $I_p=\frac{1}{10}{m}_p{d_p}^2,$ F_D是颗粒受到的重力，F_G是颗粒的受到的曳力，F_LS剪切引起的升力，F_LR是旋转引起的升力。

S204，结合所述圆孔射流喷口的直径D确定所述数学模型中两相圆孔射流流向区域的特征参数。

具体地，所述特征参数包括：

流向区域的长度L_x＝20D，

流向区域的宽度L_y＝10D，

流向区域的高度L_z＝10D。

S205，确定所述流向区域的网格分辨率。

具体地，所述网格分辨率包括：

长度分辨率ΔX＝0.125D，

宽度分辨率ΔY＝0.0625D，

高度分辨率ΔZ＝0.0625D。

本发明实施例中，雷诺数Re为1700，属于较低雷诺数的颗粒两相圆孔射流。流向区域的长度为L_x=20D，其中D是圆孔射流喷口的直径。横向（宽度）和展向（高度）的区域的长度一样，L_y=L_z=10D。通过数值模拟结果发现，横向和展向计算区域的长度对射流卷吸起着非常重要的作用，所以横向和展向要稍微取得大一些。

本实施例优选地，射流入口的速度为U₁=3.19m/s，喷口的直径为D=8mm。网格分辨率选取为ΔX/D＝0.125，ΔY/D＝0.0625，ΔZ/D＝0.0625。通过计算得到Kolmogorov尺度基本上与网格的间距是同样的数量级，而且Kolmogorov的尺度要比本文的网格间距要稍微大，这充分说明网格分辨率是足够的。即使对于模拟的最大直径的颗粒d_p=60μm=7.5×10^-3D=0.05η<η/10，本实施例所采用的点力方法也是充分满足的。

S206，结合所述圆孔射流喷口的直径D确定所述数学模型的模拟步长时间τ。

具体地，所述τ＝D/(2·U₁)。

直接数值模拟中有量纲的时间步长为1.27×10^-6s，模拟的时间步长与最小颗粒直径的比值为1/660。可以看出本实施例的时间步长非常小，保证很好地捕捉到射流涡结构与不同直径颗粒的扩散的现象。本实施例模拟时颗粒的湍流统计了120τ，保证了流场达到了完全湍流的状态。

S207，采用显示高阶空间差分格式和5步4阶Runge-Kutta时间推进格式作为数值模拟算法。

S208，确定组成所述射流的固体颗粒在气体相入口的速度U_m(x₀)。

具体地，所述 $U_m\left(x_0\right)=\frac{U_1+U_2}{2}-\frac{U_1-U_2}{2}\tanh \left[\frac{1}{4}\frac{R_0}{\mathrm{\&theta;}}(\frac{r}{R_0}-\frac{R_0}{r})\right]$

其中，U₁是所述喷射装置喷出的射流在圆孔出口中心处的速度，U₂是伴随射流的速度，θ是动量厚度，r是在圆孔射流喷口所在的横截面上任一位置到喷口中心的距离，R₀是喷口的半径。

Zamanz通过试验研究发现，θR₀应该小于0.01，Bogey et al.通过数值试验发现θR₀的值应该设定在0.1附近。本发明实施例的数值模拟中θR₀选取为0.01。通过本实施例反复的数值试验发现，θR₀的值取得太大，会延缓射流的发展，初始的Kelvin-Helmholtz不稳定波的产生会受到严重的抑制，从而导致核心区的长度比较大，增加了计算区域的长度和直接数值模拟的计算时间，尤其是较低低雷诺的圆孔射流，这种抑制的作用越明显。本发明实施例数值模拟中U₁选取为3.19m/s，伴随流速度U₂选取为0m/s，模拟雷诺数Re为1700。

颗粒入口的速度设定采用了目前两相流研究中普遍采用的方法，即假定颗粒初始的速度为当地位置流体的速度。本发明实施例的模拟中，在圆孔射流入口面径向2D位置区域内，首先采用随机数的方法确定颗粒初始的位置，然后采用体插值方法确定颗粒所在位置处的流体速度，将计算得到的流体速度赋给颗粒，完成了颗粒的初始速度和初始位置的设定。

S209，确定每个模拟步长时间τ内所述喷射装置需要喷入的颗粒数目N_p。

具体地，所述 $N_p=({\mathrm{\&rho;}}_c{U}_1\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}{D}^2\mathrm{\&tau;}{Z}_m/{\mathrm{\&rho;}}_d\frac{4}{3}{\mathrm{\&pi;r}}_p^3),$

其中，ρ_c是煤粉颗粒的密度，U₁是所述圆孔射流入口中心射流的速度，ρ_d是所述煤粉射流的密度，r_p是煤粉颗粒半径，Z_m是初始质量载荷。

在两相流的数值模拟研究中，很少有研究者对颗粒喷入方式进行过分析。在颗粒两相流的直接数值模拟中，颗粒的喷射可以采用两种方式，一种是连续的喷射，另外是间隔一段时间进行喷射。对于连续的喷射，就是每个时间步都喷射一定数目的颗粒。对于间隔一段时间喷射，就是间隔一段时间后，喷射一次，间隔一段时间，再喷射同样数目的颗粒。本发明实施例测试了两种不同喷射情况，通过数值模拟的结果发现，连续性喷射得到的颗粒场结果是连续的。对于间断性的喷射，在初始射流发展的过程中，颗粒是间断的，但是当计算的时间比较长时，一直到颗粒充满整个流场区域时，两种方式得到的颗粒的分布基本上一致的。通过以上的分析，本发明实施例在两相流模拟中，颗粒的喷射采用连续喷射。

下面具体介绍计算每个时间步喷入颗粒数目的步骤：

第一步，根据颗粒Stokes数的定义：

$\mathrm{St}={\mathrm{\&tau;}}_p/{\mathrm{\&tau;}}_f=\left(\frac{{\mathrm{\&rho;}}_p{d}_p^2}{18\&CenterDot;{\mathrm{\&mu;}}_g}\right)/\left(\frac{D}{U_1}\right).$

本实施例选取了三种不同直径的颗粒，即d_p=10μm，d_p=30μm，d_p=60μm。

颗粒的直径d_p已知，根据上面的表达式可以确定给定颗粒直径下Stokes数。

第二步，确定颗粒的载荷。

初始的质量载荷定义为：Z_m＝M_dM_c，其中M_d是颗粒的总质量，M_c是流体的总质量。本实施例中，颗粒的载荷取为Z_m=0.6，即固定颗粒质量载荷的模拟。

第三步，根据质量载荷，求出每个时间步需要喷入颗粒的数目。

质量载荷 $Z_m=(M_d/M_c)=({\mathrm{\&rho;}}_d\frac{4}{3}{\mathrm{\&pi;r}}_p^3{N}_p/{\mathrm{\&rho;}}_{c}u\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}{D}^2\mathrm{\&tau;}),$

其中N_p是每个时间步喷入的颗粒的数目，r_p是颗粒的半径，τ是本实施例的计算时间步长。通过载荷表达式计算出每个时间步需要喷入的颗粒数目为：

$N_p=({\mathrm{\&rho;}}_c{U}_1\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}{D}^2\mathrm{\&tau;}{Z}_m/{\mathrm{\&rho;}}_d\frac{4}{3}{\mathrm{\&pi;r}}_p^3).$

S210，根据所述模拟结果对所述喷射装置的扩散性能进行检测分析。

本发明实施例分别从射流颗粒扩散的二维分布和三维分布两方面分析的扩散性能。

射流颗粒的二维扩散分布分析：

图3、图4、图5给出了三种不同直径的颗粒(d_p=10μm,d_p=30μm,d_p=60μm)在三个不同的时刻(t=20τ，t=60τ，t=100τ)XOZ截面上的分布。本实施例在选取颗粒扩散图时，主要选取了两相射流发展的初期(t=20τ),射流发展中期(t=60τ)以及射流完全发展的后期(t=100τ)等几个有代表性的时刻来研究颗粒的扩散分布的特点。

通过研究发现，在本实施例采用的颗粒喷入方法下，颗粒的扩散分布与颗粒的直径有直接的关系。Uthuppan et al.最早通过数值模拟研究发现，颗粒的扩散主要受到三种因素的影响，即涡影响、离心力影响和惯性力的影响。

涡影响主要适用于非常小的颗粒，比如本文图3中d_p=10μm的颗粒，从图3(a,b,c)可以看出颗粒基本上跟随流体的运动。在图3的核心区（X/D<6），由于射流涡结构没有发展，颗粒主要聚集在中轴线附近的区域。由于本实施例采用的是连续性的颗粒喷射，所以得到的颗粒在射流近场的区域是连续的。在过渡区内（6<X/D<8），颗粒受到涡结构的影响，主要是受到肋骨(ribs)型涡的影响，被甩到射流涡结构的外缘。对于图5中较大直径的颗粒d_p=60μm，颗粒的运动几乎不受到流场的影响。对于这种较大直径的颗粒，惯性控制着颗粒的扩散。对于中间直径的颗粒如图4,颗粒的扩散呈现非常有趣的现象。首先，惯性机理对颗粒扩散起着作用，在射流发展的核心区，颗粒聚集在中轴线附近；在过渡区，随着越来越多的流向涡的产生，有一些颗粒被流向涡甩到射流的外缘。这说明，对于中间直径的颗粒，离心力对颗粒的扩散也起着作用。随着射流的发展，在射流的下游，有一些颗粒优先聚集在射流的局部区域。

从上面的分析可以看出，本实施例采用的颗粒喷入方式进行的两相流的直接数值模拟能够正确的捕捉颗粒三种不同的扩散现象，从而表明本实施例的颗粒喷入方法的处理是合适的，得到的结果是可信的。

射流颗粒的三维扩散分布分析：

为了进一步研究本实施例的颗粒喷入的方法对颗粒扩散的影响，图6、图7、图8给出了不同直径的颗粒三维扩散的分布。同样选取了三个不同的时刻(t=20τ，t=60τ，t=100τ)在XOZ截面上的分布。

从颗粒三维的扩散分布图可以明显看出，颗粒的直径对颗粒扩散起着关键性的作用。图6中小直径的颗粒，颗粒的三维扩散分布完全再现了射流涡结构发展的规律。从图4(a-c)不同的时刻可以看出，在两相射流发展的后期，颗粒三维扩散分布越来越明显，表明出明显湍流扩散的特点。对于图8中较大直径的颗粒，颗粒三维扩散不是很明显。对于这些较大直径的颗粒，当颗粒从圆孔射流喷口喷出之后，由于颗粒的惯性比较大，颗粒受到周围流场涡结构的影响比较小。但是从图7中可以看出，对于这类中间直径的颗粒了，颗粒的扩散分布更加明显。从图7(c)中可以看出，在射流发展的后期，出现了颗粒三维团聚的行为。这种颗粒团聚的现象，是颗粒优先聚集的标志。

通过以上的分布看出，在本发明实施例颗粒喷入方法下，完整的模拟了不同直径的颗粒三维扩散分布的特点，从而进一步验证了本发明实施例颗粒喷入的方法是合理的，得到的结果是可信的。

大规模并行计算机硬件和软件技术的发展为检测电站锅炉喷射装置性能提供了新的方法：通过数值模拟喷射装置喷出的煤粉两相流动。以前煤粉两相流动的研究，往往受到计算机资源的限制，只能考虑颗粒与流体之间的单相耦合，即流体影响煤粉颗粒的运动，忽略了煤粉颗粒对流体没有反作用。过去研究者在实际的电站煤粉锅炉模拟中也采用计算颗粒的概念，即计算中一个煤粉颗粒代表了现实中若干个真实的颗粒，其主要目的是为了节省计算量，减少实际跟踪的颗粒的数目。同时颗粒与颗粒之间的碰撞，颗粒与流体之间的双向耦合作用往往不考虑。在并行计算技术快速发展的今天，开展两相流动并行计算方法的研究，深入研究两相流动的难题，比如湍流调制，优先聚集，颗粒与流体的耦合之间的质量、动量耦合效应等等，都需要依赖于准确的试验数据，这里包括直接的试验研究和数值模拟的数据。因此，开展两相流动并行计算方法的研究显得非常必要，可以预计在不久的将来，随着并行计算技术的不断发展，必然会产生更加精细的两相流动的计算方法，得到的颗粒与流体作用的内在的信息更加细致，也必将大量的依赖于大规模的并行计算机，因此这样大规模颗粒并行算法显得尤为重要。

开展两相流动并行计算需要解决的关键问题依然是颗粒喷射方法。使用欧拉-拉格朗日方法进行两相流动直接数值模拟中，流体相的处理是在欧拉网格下进行的，这个可以借助传统的单相流动的并行算法，但是在拉格朗日坐标系下追踪颗粒的运动，给并行计算带来非常大的困难，因为在大量颗粒需要模拟的情形下，如何保证颗粒的位置坐标，速度信息等能够随着颗粒的运动得到即时更新，同时考虑颗粒与流体之间的双向耦合，颗粒与流体之间的碰撞，是值得深入思考和富有挑战性的难题。目前国际上对于两相流动并行算法研究也处于探索阶段，在这样的背景下，本发明深入开展了颗粒两相流动的颗粒喷射算法的研究。

喷射装置喷出的煤粉射流在一定时间内散越的范围越大，煤粉与空气混合的越充分，则认为该喷射装置的性能越好。因此，可以从所述模拟结果中选择一组扩散范围最大的数据作为所述喷射装置的性能参数。对本发明实施例而言，煤粉颗粒的直径为d_p=30μm时，煤粉射流的扩散效果最好。因此当煤粉颗粒直径为d_p=30μm时，所述喷射装置的性能达到最好。

实施例三

本发明实施例提供了一种喷射装置的性能检测装置，参见图9，所述装置具体包括：

获取模块301，用于获取喷射装置的圆孔射流喷口的直径D。

建模模块302，用于建立气固两相圆孔射流扩散过程的数学模型。

具体地，所述建模模块302具体用于：

确定气体的控制方程；

确定组成所述射流的固体颗粒的控制方程；

其中，所述气体的控制方程，包括：连续方程、动量方程、温度方程、温度方程整理形式、状态方程，

所述连续方程为 $\frac{\&PartialD;\mathrm{\&rho;}}{\&PartialD;t}+\frac{\&PartialD;\mathrm{\&rho;}{u}_i}{\&PartialD;x_i}=0,$

所述动量方程为 $\frac{\&PartialD;\mathrm{\&rho;}{u}_j}{\&PartialD;t}+\frac{\&PartialD;\mathrm{\&rho;}{u}_i{u}_j}{{\&PartialD;x}_i}=-\frac{\&PartialD;P}{{\&PartialD;x}_j}+\frac{{\&PartialD;\mathrm{\&tau;}}_{\mathrm{ij}}}{{\&PartialD;x}_i}+\mathrm{\&rho;}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{Y}_k{f}_{k,j}+F_{p\&RightArrow;f},$ （j=1，2，3），

所述温度方程为 $\frac{\&PartialD;\mathrm{\&rho;T}}{\&PartialD;t}+\frac{\&PartialD;\mathrm{\&rho;T}{u}_i}{{\&PartialD;x}_i}+\frac{P}{C_v}\frac{\&PartialD;u_i}{\&PartialD;x_i}=[\frac{\&PartialD;}{\&PartialD;x_i}\left(\mathrm{\&lambda;}\frac{\&PartialD;T}{{\&PartialD;x}_i}\right)+\mathrm{\&Phi;}]/C_v,$

所述温度方程整理形式为 $\frac{\mathrm{D\&rho;T}}{\mathrm{Dt}}+\frac{P}{C_v}\frac{\&PartialD;u_i}{\&PartialD;x_i}=[-\frac{\&PartialD;q_i}{\&PartialD;x_i}+\mathrm{\&Phi;}]/C_v,$

所述状态方程为 $P=\mathrm{\&rho;}\frac{R_c}{\stackrel{\&OverBar;}{W}}T,$

其中，ρ是流体的密度（kg/m³），P是流体的压力（Pa），u_i是i方向的流体的速度（m/s），F_p→f是颗粒反馈到流体上的力（N），T是温度（K），R是气体常数R_c/W，R_c是通用气体常数（J/kmol·K），W是气体摩尔质量（g/mol）；

其中，所述组成所述射流的固体颗粒的控制方程，包括：

$\frac{{\mathrm{dx}}_p}{\mathrm{dt}}=u_p$

$m_p=\frac{{\mathrm{du}}_p}{\mathrm{dt}}=F_D+F_G+F_{\mathrm{LS}}+F_{\mathrm{LR}}$

$I_p\frac{{\mathrm{d\&omega;}}_p}{\mathrm{dt}}=T$

其中，x_p是颗粒的空间位置，u_p是颗粒的线速度，ω_p是颗粒的旋转角速度，m_p是颗粒质量， $m_p=\frac{\mathrm{\&pi;}}{6}{\mathrm{\&rho;}}_p{d_p}^3={\mathrm{\&rho;}}_p{V}_p,$ I_p是球状颗粒的转动惯量， $I_p=\frac{1}{10}{m}_p{d_p}^2,$ F_D是颗粒受到的重力，F_G是颗粒的受到的曳力，F_LS剪切引起的升力，F_LR是旋转引起的升力。

参数模块303，用于根据所述获取模块301获取的圆孔射流喷口的直径D确定所述建模模块302建立的数学模型的数值模拟参数。

具体地，所述参数模块303具体用于：

结合所述圆孔射流喷口的直径D确定所述数学模型中两相圆孔射流流向区域的特征参数；

确定所述流向区域的网格分辨率；

结合所述圆孔射流喷口的直径D确定所述数学模型的模拟步长时间τ；

采用显示高阶空间差分格式和5步4阶Runge-Kutta时间推进格式作为所述数学模型的数值模拟算法；

其中，所述两相圆孔射流流向区域的特征参数，包括：

流向区域的长度L_x＝20D，

流向区域的宽度L_y＝10D，

流向区域的高度L_z＝10D；

其中，所述流向区域的网格分辨率，包括：

长度分辨率ΔX＝0.125D，

宽度分辨率ΔY＝0.0625D，

高度分辨率ΔZ＝0.0625D。

其中，所述数学模型的模拟步长时间τ＝D/(2·U₁)，U₁是所述圆孔射流入口中心射流的速度。

喷入确定模块304，用于确定所述圆孔射流的喷入方法。

具体地，所述喷入确定模块304具体用于：

确定组成所述射流的固体颗粒在气体相入口的速度U_m(x₀)；

确定每个模拟步长时间τ内所述喷射装置需要喷入的颗粒数目N_p；

其中，所述 $U_m\left(x_0\right)=\frac{U_1+U_2}{2}-\frac{U_1-U_2}{2}\tanh \left[\frac{1}{4}\frac{R_0}{\mathrm{\&theta;}}(\frac{r}{R_0}-\frac{R_0}{r})\right],$ U₁是所述喷射装置喷出的射流在圆孔出口中心处的速度，U₂是伴随射流的速度，θ是动量厚度，r是在圆孔射流喷口所在的横截面上任一位置到喷口中心的距离，R₀是喷口的半径；

所述 $N_p=({\mathrm{\&rho;}}_c{U}_1\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}{D}^2\mathrm{\&tau;}{Z}_m/{\mathrm{\&rho;}}_d\frac{4}{3}{\mathrm{\&pi;r}}_p^3),$ 所述ρ_c是煤粉颗粒的密度，U₁是所述圆孔射流入口中心射流的速度，ρ_d是所述煤粉射流的密度，r_p是煤粉颗粒半径，Z_m是初始质量载荷。

模拟模块305，用于根据所述建模模块302建立的数学模型、所述参数模块303获取的数值模拟参数和所述喷入确定模块304确定的圆孔射流的喷入方法，对所述气固两相圆孔射流扩散过程进行模拟，得到模拟结果。

性能检测模块306，用于根据所述模拟模块305获取的模拟结果对所述喷射装置的扩散性能进行检测分析。

Claims (8)

1.一种喷射装置的性能检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取喷射装置的圆孔射流喷口的直径D；

建立气固两相圆孔射流扩散过程的数学模型；

根据所述圆孔射流喷口的直径D确定所述数学模型的数值模拟参数；

确定所述圆孔射流的喷入方法；

根据所述数学模型、所述数值模拟参数和所述圆孔射流的喷入方法，对所述气固两相圆孔射流扩散过程进行模拟，得到模拟结果；

根据所述模拟结果对所述喷射装置的扩散性能进行检测分析。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述建立气固两相圆孔射流扩散过程的数学模型，具体包括：

确定气体的控制方程；

确定组成所述射流的固体颗粒的控制方程；

其中，所述气体的控制方程，包括：连续方程、动量方程、温度方程、温度方程整理形式、状态方程，

所述连续方程为 $\frac{\&PartialD;\mathrm{\&rho;}}{\&PartialD;t}+\frac{\&PartialD;\mathrm{\&rho;}{u}_i}{\&PartialD;x_i}=0,$

所述动量方程为 $\frac{\&PartialD;\mathrm{\&rho;}{u}_j}{\&PartialD;t}+\frac{\&PartialD;\mathrm{\&rho;}{u}_i{u}_j}{{\&PartialD;x}_i}=-\frac{\&PartialD;P}{{\&PartialD;x}_j}+\frac{{\&PartialD;\mathrm{\&tau;}}_{\mathrm{ij}}}{{\&PartialD;x}_i}+\mathrm{\&rho;}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{Y}_k{f}_{k,j}+F_{p\&RightArrow;f},$ （j=1，2，3），

所述温度方程为 $\frac{\&PartialD;\mathrm{\&rho;T}}{\&PartialD;t}+\frac{\&PartialD;\mathrm{\&rho;T}{u}_i}{{\&PartialD;x}_i}+\frac{P}{C_v}\frac{\&PartialD;u_i}{\&PartialD;x_i}=[\frac{\&PartialD;}{\&PartialD;x_i}\left(\mathrm{\&lambda;}\frac{\&PartialD;T}{{\&PartialD;x}_i}\right)+\mathrm{\&Phi;}]/C_v,$

所述温度方程整理形式为 $\frac{\mathrm{D\&rho;T}}{\mathrm{Dt}}+\frac{P}{C_v}\frac{\&PartialD;u_i}{\&PartialD;x_i}=[-\frac{\&PartialD;q_i}{\&PartialD;x_i}+\mathrm{\&Phi;}]/C_v,$

所述状态方程为 $P=\mathrm{\&rho;}\frac{R_c}{\stackrel{\&OverBar;}{W}}T,$

其中，ρ是流体的密度（kg/m³），P是流体的压力（Pa），u_i是i方向的流体的速度（m/s），F_p→f是颗粒反馈到流体上的力（N），T是温度（K），R是气体常数R_c/W，R_c是通用气体常数（J/kmol·K），W是气体摩尔质量（g/mol）；

其中，所述组成所述射流的固体颗粒的控制方程，包括：

$\frac{{\mathrm{dx}}_p}{\mathrm{dt}}=u_p$

$m_p=\frac{{\mathrm{du}}_p}{\mathrm{dt}}=F_D+F_G+F_{\mathrm{LS}}+F_{\mathrm{LR}}$

$I_p\frac{{\mathrm{d\&omega;}}_p}{\mathrm{dt}}=T$

其中，x_p是颗粒的空间位置，u_p是颗粒的线速度，ω_p是颗粒的旋转角速度，m_p是颗粒质量， $m_p=\frac{\mathrm{\&pi;}}{6}{\mathrm{\&rho;}}_p{d_p}^3={\mathrm{\&rho;}}_p{V}_p,$ I_p是球状颗粒的转动惯量， $I_p=\frac{1}{10}{m}_p{d_p}^2,$ F_D是颗粒受到的重力，F_G是颗粒的受到的曳力，F_LS剪切引起的升力，F_LR是旋转引起的升力。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述圆孔射流喷口的直径确定所述数学模型的数值模拟参数，具体包括：

结合所述圆孔射流喷口的直径D确定所述数学模型中两相圆孔射流流向区域的特征参数；

确定所述流向区域的网格分辨率；

结合所述圆孔射流喷口的直径D确定所述数学模型的模拟步长时间τ；

采用显示高阶空间差分格式和5步4阶Runge-Kutta时间推进格式作为所述数学模型的数值模拟算法；

其中，所述两相圆孔射流流向区域的特征参数，包括：

流向区域的长度L_x＝20D，

流向区域的宽度L_y＝10D，

流向区域的高度L_z＝10D；

其中，所述流向区域的网格分辨率，包括：

长度分辨率ΔX＝0.125D，

宽度分辨率ΔY＝0.0625D，

高度分辨率ΔZ＝0.0625D。

其中，所述数学模型的模拟步长时间τ＝D/(2·U₁)，U₁是所述圆孔射流入口中心射流的速度。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述确定所述圆孔射流的喷入方法，具体包括：

确定组成所述射流的固体颗粒在气体相入口的速度U_m(x₀)；

确定每个模拟步长时间τ内所述喷射装置需要喷入的颗粒数目N_p；

其中，

所述 $U_m\left(x_0\right)=\frac{U_1+U_2}{2}-\frac{U_1-U_2}{2}\tanh \left[\frac{1}{4}\frac{R_0}{\mathrm{\&theta;}}(\frac{r}{R_0}-\frac{R_0}{r})\right],$ U₁是所述喷射装置喷出的射流在圆孔出口中心处的速度，U₂是伴随射流的速度，θ是动量厚度，r是在圆孔射流喷口所在的横截面上任一位置到喷口中心的距离，R₀是喷口的半径；

所述 $N_p=({\mathrm{\&rho;}}_c{U}_1\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}{D}^2\mathrm{\&tau;}{Z}_m/{\mathrm{\&rho;}}_d\frac{4}{3}{\mathrm{\&pi;r}}_p^3),$ 所述ρ_c是煤粉颗粒的密度，U₁是所述圆孔射流入口中心射流的速度，ρ_d是所述煤粉射流的密度，r_p是煤粉颗粒半径，Z_m是初始质量载荷。

5.一种喷射装置的性能检测装置，其特征在于，所述装置包括：

获取模块，用于获取喷射装置的圆孔射流喷口的直径D；

建模模块，用于建立气固两相圆孔射流扩散过程的数学模型；

参数模块，用于根据所述获取模块获取的圆孔射流喷口的直径D确定所述建模模块建立的数学模型的数值模拟参数；

喷入确定模块，用于确定所述圆孔射流的喷入方法；

模拟模块，用于根据所述建模模块建立的数学模型、所述参数模块获取的数值模拟参数和所述喷入确定模块确定的圆孔射流的喷入方法，对所述气固两相圆孔射流扩散过程进行模拟，得到模拟结果；

性能检测模块，用于根据所述模拟模块获取的模拟结果对所述喷射装置的扩散性能进行检测分析。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述建模模块具体用于：

确定气体的控制方程；

确定组成所述射流的固体颗粒的控制方程；

其中，所述气体的控制方程，包括：连续方程、动量方程、温度方程、温度方程整理形式、状态方程，

所述连续方程为 $\frac{\&PartialD;\mathrm{\&rho;}}{\&PartialD;t}+\frac{\&PartialD;\mathrm{\&rho;}{u}_i}{\&PartialD;x_i}=0,$

所述动量方程为 $\frac{\&PartialD;\mathrm{\&rho;}{u}_j}{\&PartialD;t}+\frac{\&PartialD;\mathrm{\&rho;}{u}_i{u}_j}{{\&PartialD;x}_i}=-\frac{\&PartialD;P}{{\&PartialD;x}_j}+\frac{{\&PartialD;\mathrm{\&tau;}}_{\mathrm{ij}}}{{\&PartialD;x}_i}+\mathrm{\&rho;}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{Y}_k{f}_{k,j}+F_{p\&RightArrow;f},$ （j=1，2，3），

所述温度方程为 $\frac{\&PartialD;\mathrm{\&rho;T}}{\&PartialD;t}+\frac{\&PartialD;\mathrm{\&rho;T}{u}_i}{{\&PartialD;x}_i}+\frac{P}{C_v}\frac{\&PartialD;u_i}{\&PartialD;x_i}=[\frac{\&PartialD;}{\&PartialD;x_i}\left(\mathrm{\&lambda;}\frac{\&PartialD;T}{{\&PartialD;x}_i}\right)+\mathrm{\&Phi;}]/C_v,$

所述温度方程整理形式为 $\frac{\mathrm{D\&rho;T}}{\mathrm{Dt}}+\frac{P}{C_v}\frac{\&PartialD;u_i}{\&PartialD;x_i}=[-\frac{\&PartialD;q_i}{\&PartialD;x_i}+\mathrm{\&Phi;}]/C_v,$

所述状态方程为 $P=\mathrm{\&rho;}\frac{R_c}{\stackrel{\&OverBar;}{W}}T,$

其中，ρ是流体的密度（kg/m³），P是流体的压力（Pa），u_i是i方向的流体的速度（m/s），F_p→f是颗粒反馈到流体上的力（N），T是温度（K），R是气体常数R_c/W，R_c是通用气体常数（J/kmol·K），W是气体摩尔质量（g/mol）；

其中，所述组成所述射流的固体颗粒的控制方程，包括：

$\frac{{\mathrm{dx}}_p}{\mathrm{dt}}=u_p$

$m_p=\frac{{\mathrm{du}}_p}{\mathrm{dt}}=F_D+F_G+F_{\mathrm{LS}}+F_{\mathrm{LR}}$

$I_p\frac{{\mathrm{d\&omega;}}_p}{\mathrm{dt}}=T$

其中，x_p是颗粒的空间位置，u_p是颗粒的线速度，ω_p是颗粒的旋转角速度，m_p是颗粒质量， $m_p=\frac{\mathrm{\&pi;}}{6}{\mathrm{\&rho;}}_p{d_p}^3={\mathrm{\&rho;}}_p{V}_p,$ I_p是球状颗粒的转动惯量， $I_p=\frac{1}{10}{m}_p{d_p}^2,$ F_D是颗粒受到的重力，F_G是颗粒的受到的曳力，F_LS剪切引起的升力，F_LR是旋转引起的升力。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述参数模块具体用于：

结合所述圆孔射流喷口的直径D确定所述数学模型中两相圆孔射流流向区域的特征参数；

确定所述流向区域的网格分辨率；

结合所述圆孔射流喷口的直径D确定所述数学模型的模拟步长时间τ；

采用显示高阶空间差分格式和5步4阶Runge-Kutta时间推进格式作为所述数学模型的数值模拟算法；

其中，所述两相圆孔射流流向区域的特征参数，包括：

流向区域的长度L_x＝20D，

流向区域的宽度L_y＝10D，

流向区域的高度L_z＝10D；

其中，所述流向区域的网格分辨率，包括：

长度分辨率ΔX＝0.125D，

宽度分辨率ΔY＝0.0625D，

高度分辨率ΔZ＝0.0625D。

其中，所述数学模型的模拟步长时间τ＝D/(2·U₁)，U₁是所述圆孔射流入口中心射流的速度。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述喷入确定模块具体用于：

确定组成所述射流的固体颗粒在气体相入口的速度U_m(x₀)；

确定每个模拟步长时间τ内所述喷射装置需要喷入的颗粒数目N_p；

其中，

所述 $U_m\left(x_0\right)=\frac{U_1+U_2}{2}-\frac{U_1-U_2}{2}\tanh \left[\frac{1}{4}\frac{R_0}{\mathrm{\&theta;}}(\frac{r}{R_0}-\frac{R_0}{r})\right],$ U₁是所述喷射装置喷出的射流在圆孔出口中心处的速度，U₂是伴随射流的速度，θ是动量厚度，r是在圆孔射流喷口所在的横截面上任一位置到喷口中心的距离，R₀是喷口的半径；

所述 $N_p=({\mathrm{\&rho;}}_c{U}_1\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}{D}^2\mathrm{\&tau;}{Z}_m/{\mathrm{\&rho;}}_d\frac{4}{3}{\mathrm{\&pi;r}}_p^3),$ 所述ρ_c是煤粉颗粒的密度，U₁是所述圆孔射流入口中心射流的速度，ρ_d是所述煤粉射流的密度，r_p是煤粉颗粒半径，Z_m是初始质量载荷。

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