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上海交大缪正清:应用经典力学解决锅炉理论难题

时间:2014-06-10 来源:中国科学报 编辑:编辑部 点击:次 字体设置:
近日《中国科学报》记者走访了上海交通大学缪正清副教授 。他在煤粉锅炉、循环流化床锅炉、链条炉排锅炉的煤燃烧、气固两相流、射流力学等方面创新了多项锅炉技术基础理论并应用到实际工程中,取得了显著的效果。让我们寻访他的创新之路。煤炭、电力是我国重要的支柱产业,锅炉是它的代表。为使锅炉安全、高效、清洁地运行,有千百万人为之奋斗。
 
记者:据我们了解,您在锅炉技术理论研究和工程应用方面做了不少工作,取得不少成果,我想您一定有不少独特的方法可以与大家分享,首先请您介绍一下您的求学经历好吗?
 
缪正清:我是1981年至1988年在西安交通大学能源与动力工程学院攻读电厂热能动力工程和热能工程专业,获得了本科和硕士学位。毕业之后,分配到上海交通大学能源系,从事锅炉原理、热力学、传热学等课程的教学。工作十年后,为了进一步提高自己学术研究的能力,又考回母校完成了在职博士的学业。
 
记者:在您人生的各个阶段中,有没有出现对您影响很大的人或者事?请结合具体事例谈谈。
 
缪正清:有很多人和事。父母的养育、姐弟的支持,老师的教育,工作中同学、朋友的帮助,环境的驱动,数不胜数。读研究生后,在导师的引导下走上科研道路。黄祥新老师、夏长江老师指导我工业锅炉研究、徐通模老师指导我电站锅炉研究,使我终身受益,永生难忘;参加工作后还博文、田子平、章明川、蒋安众等教授对我的教学及工作实践进行热情的指导,他们也是我的老师;在长期的科研实践中,大学时期的班主任曹玉民老师、张仲民老师始终鼓励和支持我,刘丰元高工、张修文高工、郭平高工等一批工程专家在工程技术上协助我;同窗好友高晖博士等的影响也促使我努力进行学术研究等。
 
记者:您曾是加拿大皇后大学机械工程系高级访问学者,国外这段经历给您带来了怎样的影响?
 
缪正清:在加拿大一年的进修,对我的学术研究有很大的影响。出国前,我主要在工业锅炉强化燃烧与电站锅炉水动力学方面进行过一些研究。到加拿大进修期间,我开始接触一个新的方向——一种强射流/弱射流(SJ/WJ)组合类型的天然气超低NOx燃烧器的射流轨迹模型研究。
 
我从学习国外学者的研究工作开始,首先使用微分方法代替了他们的积分方法,建立了射流轨迹的微分方程,相对于射流轨迹的积分方程,我的方法从轨迹方程的建立到差分求解变得简单而容易,由此,我想能否把这一方法进一步拓展到解决更为复杂的集束燃烧器射流轨迹,以及具有更大意义的旋流燃烧器与煤粉炉层状布置直流组合射流的轨迹问题?后来的研究工作表明,这一目标是正确的。
 
记者:您曾先后建立了锅炉领域的多项理论模型。能用通俗的话语给我们具体阐述一下吗?这些理论形成的背景、关系是什么?您在实际工作中又是如何完善和丰富这些理论内涵的?
 
缪正清:我在从事热能工程的教学与实践中,接触到了一些重要的工程理论问题,我主要采用了经典力学的分析方法对其进行理论建模研究。
 
我在电站锅炉研究中做的第一个课题是关于煤粉炉火焰刷墙时颗粒对壁面对流传热的理论模型研究,这是国家八五科技攻关项目“煤粉炉炉膛内传热模型”的一个子课题。主要研究颗粒对于炉膛传热的影响。通过建立气固两相流模型和颗粒传热模型得到了颗粒对于炉壁的对流传热计算公式。这一模型使得火焰刷墙时炉壁传热急剧增加的现象、贫煤锅炉发生高温腐蚀的普遍性现象都能得到理论上的解释。
 
电站锅炉集箱并联管组水动力学问题是我在电站锅炉方面研究的第二个问题。它的背景是为了准确地确定大容量电站锅炉的过热器、再热器并联管组内流量分布,这也是国内外动力工程中长期未解决好的经典难题。我在“电站锅炉分配集箱系统单相流体流动特性的研究”中,首次指出了现今使用的水动力计算标准方法中,关于并联管组内单相流体流量分配的计算方法存在缺陷的实质所在。“集箱与并联管屏系统单相流体的流动特性”是目前国内外关于屏式结构并联管组三维结构内流动特性分布的第一个严格的分析解。
 
射流流动研究这是一个引人入胜的课题。射流因为具有一个显著的特征,就是在它的能量耗散之前与其周围流体流动有着速度的明显差异而形成流动的边界轮廓,射流往往与环境流体或者与其它的射流相互作用,因而改变着它的走向,射流的走向基本上以射流中心线为代表,通常称之为射流的轨迹。因此,获得射流轨迹就得到了射流流动的一系列关键参数的变化规律。这也是射流流动不同于一般流体流动的特点,也是射流轨迹研究有可能采用简化理论模型研究的特殊性所在。
 
我通过对这类问题的分析,总结了以下这些研究方法,包括:采用将射流特性简化到射流中心轨迹上的集中参数法;将射流轨迹的切向与射流动量矢量一致作为将射流轨迹向流体动力学研究转化的桥梁;建立组合射流中单股弯曲射流的质量方程;提出多自由射流卷吸流场的合成原理以解决多射流中单射流与多射流之间的质量交换和动量交换的计算方法;提出在自由射流质量方程中引入质量交换系数将其转变为用于研究冲击射流的质量方程;以射流微元段为基本研究对象的受力分析方法;以质量守恒、牛顿第二定律和能量守恒定律和动量矩守恒应用于射流微元段为建立微分方程的通用方法。通过这些方法,我获得了集束燃烧器、旋流燃烧器、切圆布置直流燃烧器等射流力学的轨迹模型。大家可以看我的论文——《集束射流的流动物理》《旋转射流的流动物理》《层状布置组合直流射流的流动物理及其工程应用》等。
 
循环流化床气固两相流模型主要研究沿着炉膛高度空隙率(或者颗粒浓度)分布及静压分布。空隙率是循环流化床气固两相流的主要状态特征参数,其变化规律涉及流动、传热、传质、燃烧、受热面设计、辅机选型等各个方面。循环流化床由于强烈的气固作用,不仅应用于发电锅炉,作为一种洁净燃烧发电方式,而得到迅速发展,同时在大型煤气化、燃料电池、化工、冶金等广泛的工业领域有着重要的应用,但是几十年来对其气固两相流宏观特征理论模型的研究一直进展不大。大学时代就知道这一问题的难度。2002年我着手尝试这一问题的研究。经过反复摸索,在将问题简化后,通过经典力学分析得到了微元层气固两相流微分方程。我发现这是一个特殊的方程。因为包含空隙率的三项由巨量级之差等于微量级构成。这类方程还不能通过量纲分析来丢掉微量级项。这正是计算数学上提到的“病态方程”。我借鉴计算数学处理“病态方程”的方法——将巨量级差项转变成新的微量级差项,最终找到了解决这一学术难题的出路。我想,以往学术界可能没有敏锐地注意“巨量”和“微量”的问题。我提出的理论模型经过不断改进、完善、实验验证,用了九年时间,到2010年才发表,题目是《循环流化床轴向空隙率与静压分布的数学模型及其实验验证》。
 
记者:在这些项目中,您认为最有意义的是哪一个?在该成果的攻关过程中,有没有遇到什么难题或者发生什么让您难忘的事情?
 
缪正清:在科学研究中,我首先瞄准意义重大的课题。先后研究的集箱水动力学、射流轨迹、循环流化床轴向空隙率的变化规律等,都是学术界没有很好解决的难题,探索这类问题的理论模型都有较大的意义。集箱水动力问题在大机组锅炉中普遍存在,这方面的研究事关全国数千台电站锅炉中过热器与再热器的安全问题。对于循环流化床气固两相流的研究,虽然涉及到了一个很重要的问题,但是,循环流化床技术还有很多的科学问题需要研究,目前仅仅是开始。要说意义最大我说应该是关于射流的研究。燃烧器射流力学的研究涉及集束射流、旋转射流、层状布置组合射流,已初步形成研究系列。这一成果的意义:一是丰富了燃烧器射流力学理论,二是有着广泛而现实的工程应用价值,对于高效、环保大机组锅炉燃烧器设计及运行具有重要的指导作用。
 
研究课题,不是条条路都能成功。有时只有一两条。要克服各种障碍。所以,遇到的难题一言难尽。成功的思路都体现在论文的过程中。
 
记者:请您与我们分享和传授一下您和企业合作的成功经验?
 
缪正清:企业是工业技术的载体、科技创新的舞台。电力行业对于设备缺陷与技术问题都非常重视。我在大学里教学的同时,所开展的科学研究得到了企业的关注与支持,如上海锅炉厂、济南锅炉厂等委托产品关键技术的联合研发,上海闵行发电厂、山西河坡发电厂、榆林上河发电厂、姚孟发电公司及华能北方联合电力公司下属的多个电厂,如包头第一、第二热电厂、丰镇发电厂、上都发电厂等将重要的工程项目委托我们,使我们有机会将科技成果直接应用到大型工程,并在实践中得到进一步提高。我们每到一个电厂,本着全心全意为电厂服务的宗旨,本着虚心向电厂技术人员学习,向工人师傅学习的态度。我们的工作得到了所有服务电厂领导、技术人员和工人师傅的支持、配合。通过项目合作为企业创造的直接经济效益数以亿计。合作成果多次获奖。没有他们的支持,可能会一事无成,在此,也对他们表示诚挚的谢意!
 
记者:据了解,您不仅承担科研工作,还长期挺立在教学一线。在多年的教学过程中,是否总结了好的经验?请与我们分享。
 
缪正清:作为一名教师,要通过博览众书,认真消化、继承前人的研究成果,传递给学生,要找出前人的不足,提出自己研究的问题和方向进行深入地研究,还要经常到实际中去结合。最后,再将得到的成果尽快应用于教学之中。
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