（动力机械及工程专业论文）双燃料燃烧室燃烧流场数值模拟.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 化学回热循环燃气轮机是种先进循环燃机，既可以充分利用排气余热提高循 环热效率，又可以形成高品质的裂解燃料。本文将某型燃油燃气轮机燃烧室应用于 化学回热循环中，将其改造成可以兼烧亦可单独燃用油和裂解气的双燃料燃烧室。 在保证燃烧室做功能力不变的前提下以裂解气逐步代替柴油，也可根据工况需要切 换燃料，从而扩大了燃料适应性。这对于燃气轮机的长远发展具有重要意义。 本文设计出种新型双燃料喷嘴应用于燃烧室中，并对其燃油流场、蒸汽回注 流场、燃烧裂解气流场和油气混烧的双燃料燃烧流场进行了数值模拟。数值计算时 采用了标准k s 双方程湍流模型，快速反应简化p d f 燃烧模型，离散坐标辐射 ( d o ) 模型；采用颗粒群轨道模型来描述液相油滴的运动轨迹和变化历程；采用污 染物生成模型对热力n o 和瞬发n o 的生成进行模拟。对控制方程采用迎风格式的 差分格式进行离散，壁面处理采用标准壁面函数法；采用s i m p l e 算法来求解离散 方程。 根据图纸对某型燃烧室生成三维实体模型，保留了所有冷却气膜孔从而保证了 几何模型的真实性。对燃油流场进行了数值模拟和污染物排放预测，并对其进行了 低n o x 排放研究。对燃油流场喷入不同量的水蒸气后的流场进行了数值计算，并进 行了对比分析。结果表明，注入水蒸气后n 0 x 排放量隔氐，燃烧室的做功能力增强， 出口不均匀系数变大。通过 匕较计算，确定了最佳注入蒸汽量为燃料量的1 0 0 。 本文对燃油流场和燃烧裂解气流场进行了对比分析。结果表明改烧裂解气后， 燃烧区的最高温度降低，从而使n | o ) ( 排放大幅度降低；火焰长度变短，出口均匀性 变好。针对燃料切换时油气混烧的双燃料燃烧流场进行了数值模拟：模拟出了裂解 气占总燃料不同比例时燃烧室的性能差别。在保证出口焓值不变的情况下，拟合出 了柴油和裂解气的质量转化关系，得到了燃料供应规律。计算结果对燃料切换系统 的设计、燃烧室结构优化和指导燃烧试验提供了有力依据。 关键词：数值模拟；双燃料燃烧室；非预混燃烧；湍流；低n o x 排放 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t c h e m i c a l l y 陀c u p 删g a st u r b i n eu s i n gt h ea d v a n c e dr e c y c l ec a ni m p r o v ec y c l e t h e r m a le i l i e i e n e yb y 倒垴1 1 9f 曲u o fe x h a u s t e dw a s t eh e a ta n da l s op r o d u c et h e b i g b 唧翰l i 够f u e l t h eg a st u r b i n ec o m b u s t o rb u r m go f fi sa p p l i e dt ot h ec h e m i c a l l y r e e u p e m e dg a st u r b i n ea n dd e v e l o p e da sad u a l - f u e lc o m b u a o rc a p a b l eo f b u m i l l go i la n d p m l y s i sg a sb o t ho rs e p a r a t e l yi nt h i s 硭9 w h i c hh a s 耐瓯尹i 丘锄c ef o rl o n g - t e r m d e v e l o p m e n to f g a st u r b i n e an e wd u a l - f u e ln o z z l ef o rt h eg a st u r b i n ec o m b u s t o ri sd e s i g n e da n dn u r n c r i c a l s i m u l a t i o ni sc a r r i e do u tt ot h eo i l - f i r e d , p y r o l y s i sg a s - f i r e da n dd u a l - f u e lc o m b u s t i o nf l o w f i e l d su s i i 培k - 占t u r b u l e n c em o d e lp d fc o m b u s t i o nm o d e l , d i s c r e t eo r d i n a t e sr a d i a t i o n m o d e la n dd i s c r e t ep h a s em o d e lf o rl i q u i df u e li nt h i sp a p e r d 面n gt h en u m e r i c a l s i m u l a t i o n , t h eu p w i n ds c h e m ei su s e dt od i s l ) e 躜t h ee q u a t i o n s ；t h es i m p l e a l g o r i t h m m e t h o di sa p p l i e dt os o l v et h ee q u a t i o n s t h et h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e li sm a d e ，w h i c hh o l da l lt h ec 0 0 1 i n gf i l mh o l e sa c c o r d i i l g 协t h ed r a w i n g s t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fc o m b u s t i o nf l o wf i e l d so ft h ed u a l - f u e l c o m b u s t o rb u r n i n gp y r o l y s i sg a sa n d0 i lb o t ha n ds e p a r a t e l yi sm a d e a l s ot h en o x e m i s s i o ni sp r e d i c t e da n dac o m p a r a t i v ea n a l y s i si sm a d et ot h ed i l u t i o nc o m b u s t i o no f t h i s c o m b u s t o rw i t ht h et h e o r yo f c o m p u t a t i o n a lf l u i d 由，n 豳a n dc o m p u t a t i o n a lc o m b u s t i o n 由7 i l 锄i c s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep 硼o n m n c ee f f i c i e n c yi si n c r e a s e da n dt h eo p t h - m l s t e a ma n a o u n te q u a l st h ef u e la n dt h en o xe m i s s i o nc 趾d e c r e a s ea f t e rb a n g 硒c c t e dt h e o p t i m u ma m o u n to f s t e a m a l s ot h i sp a p e rc o m p a r a t i v e l ya n a l y z e st h ep e r f o r m a n c e0 f 位d u a l - f u e lc o m b u s t o r u n d e rd i f f e r e n tp y r o l y s i sg a so i lr a t i o o nt h eb a s i so ft h es a i n te x i te n t h a l p y ，t h eq u e r y n a n s f o r m i n gr e l a t i o n s h i po f p y r o l y s i sg a sa n d o i li sf i tt h e nt h er u l eo f f u e ls u p p l yi sd e r i v e d , w h i c hi sv a l u a b l ef o rd e s i 豳t h ef u e ls w i t c hs y s t e m , q 币m i z j l l gt h ec 0 啪b l l s 眦a n d 昏她c o m b u s t i o n t e s t k e yw o r d s ：n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ； t u r b d e n tf l o w ；, l o wn o xe m i s s o n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：贸红媚 日期：纰呷年3 月2 占日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文 在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口解 密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：极短媚 日期：刎c 年；月7 易日葛嚣矛怍帝 矽芦月垆、 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究目的和意义 当今世界石油资源日益匮乏，环境污染日趋严峻“，。为了解决能源危机和 由发动机排放造成的环境污染问题，世界各国将开发代用燃料和低污染燃烧 作为动力领域的关键技术进行研究。双燃料发动机应运而生，受到国内外的 广泛关注。 随着经济的持续发展，我国的能源需求不断增加。而世界范围内的能源 短缺和环境污染问题也日益严重，这使我国以煤为主的单一能源结构面临巨 大挑战。因此，大力开发高效清洁的能源转换技术和替代能源技术，扩大可 利用的能源资源范围极为重要。目前燃用双燃料的燃气轮机，其燃料配置一 般有两种情况，一种以天然气为主燃料，以轻油为备用燃料，两种燃料均可 以正常起动点火；另一种以劣质燃料、如原油和中低热值煤气为主燃料，以 轻油为点火起动及备用燃料。当然，还有其它不常见的双燃料系统，如以凝 析油或石脑油等高挥发性油料为主燃料，以轻油为起动燃料的双燃料系统【2 】。 由此可见，双燃料燃气轮机可以充分利用天然气、人工煤气、油制气、液化 石油气和生物气等作为燃料，扩大了能源利用范围，可以缓解能源短缺问题。 长期以来，人们对燃烧理论的掌握远远落后于燃烧技术的需要。由于燃 烧过程及其控制微分方程的过分复杂极大限制了以解析方法为特征的经典燃 烧理论的应用范围，从而使燃烧学长期停留在分类综合实验现象和对极个别 燃烧现象孤立分析的阶段。燃烧理论与许多实际燃烧现象和燃烧过程脱节。 因此，燃气轮机燃烧室的设计方法主要依靠试验及由大量实验数据归纳出的 经验公式进行，耗时耗力且效率低下1 3 】。随着计算机的快速发展，燃烧理论和 数值计算相结合的方法已经成为指导燃烧装置设计的有力工具。它可以通过 燃烧过程的数值模拟来发展燃烧技术，研究燃烧规律，并指导燃烧试验完成。 在确定方案之前我们可以先应用数值模拟对各个方案进行计算比较和初选； 在试验阶段，可以利用数值模拟的数据部分取代实际模型试验等。数值模拟 哈尔滨工程大学硕士学位论文 相对于试验优点明显，它能有效的缩短试验周期，大幅度降低成本，计算结 果对实验方案的选取有指导作用。 本文针对某型燃油燃机设计出双燃料喷嘴，利用化学回热产生的裂解气 作为燃气轮机的燃料，使裂解气逐步代替柴油。应用计算燃烧学理论和数值 计算方法对双燃料燃烧室的燃烧流场进行数值模拟，以期预估燃烧室性能、 得到燃料的质量转化关系，从而为燃料配气系统的设计和燃烧室的优化提供 依据。这对于缓解能源危机，促进燃气轮机的长远发展和实际应用具有重要 意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 双燃料燃机国内外研究进展 由于能源短缺和环境污染日益严重，世界各国从8 0 年代开始便进行双燃 料发动机的研究和改造工作。目前对于双燃料柴油机的研究较为集中，资料 也较为齐全。而对于双燃料燃气轮机仅用试验的方法从工程改造的角度进行 了研究，尚未对其性能进行详细的数值模拟研究。有许多专家学者对燃气轮 机使用代用燃料及燃机燃料适应性方面进行了试验研究。 1 、国外方面 m a s a m i c h ik o y a m a 和h i r o s h if u j i w a r a 们介绍了n i i g a t a 燃气轮机 ( n g t 2 b c ) 燃烧柴油和低热值气体的研究情况，并通过数值模拟和试验确 定了最佳运行参数。 加拿大的d r v l a d i m i rl u p a n d i n c ”等人描述了燃机热端部件和燃烧系统的 改造情况，研究了o g t 2 5 0 0 型燃机使用乙醇、生物质气和含沥青原油等不同 代用燃料的运行状况，证明了燃机改造后燃用代用燃料是可行的。 s t e f a n oc o e c h i 和m i c h e l ep r o v e n z a l e t 耵等人在10 m w 级装有d l n 燃烧室 的燃气轮机上对燃料适应性进行了测试。文章中以c o ，代替惰性气体，研究 了燃机燃用不同组合燃料时的点火性能和燃烧室性能，重点分析了热端部件 的温度、污染物排放和燃烧室内的压力震荡情况。 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 g e 公司的m i c h e lm o l i & e 和e l v i op a n a r o t t o t 等人对燃机燃用生物柴油 进行了试验，研究了燃气轮机燃用代用燃料时的操作性能和排放性能。证明 了燃用生物柴油是可行的，但要对燃料进行处理。 西门子公司的t o r s t e ns t r a n d i 们对天然气燃机s g t 6 0 0 改烧天然气和工业 废气进行了实验研究。启动时燃用天然气，然后逐渐供入工业废气，研究燃 气轮机在不同负荷下的性能改变，证明了d l n 燃烧系统可以燃用各种不同成 分的气体混合物。 日本三菱公司生产的m 7 0 1 f t g 燃气轮机采用了双燃料燃烧系统。该机在 设计中采用了干式低n o 。预混燃烧器和燃烧器旁路阀，较好地解决了低n o ， 排放和燃烧稳定性的问题。且在半年的运行时间里，燃烧系统和燃烧工况都 较为稳定，经受住了各种负荷下运行的考核。由于在燃气轮机由单燃料到双 燃料的改造过程中，燃料供应系统的改造是重点，所以双燃料喷嘴的设计改 造就极为重要。该燃机双燃料喷嘴设计较为成功。喷嘴由一圈8 个干式预混 主喷嘴和圆心的值班喷嘴组成。由八个旋流器和八个主喷嘴一一对应从而使 空气与燃料混合均匀，增加火焰面积，降低燃烧温度，特别是减少局部高温 区，以最终减少n o 。的生成，是预混燃烧器中的一个成功范例。 g e 新庇隆公司推出的m s 9 0 0 1 e 燃气轮机采用高炉煤气与焦炉气混烧，透 平前温度达11 0 4o c 。m s 9 0 0 1 e 的燃烧系统其外形与标准装置实质上是相同 的，只是由于燃料流量大，加大了管道的截面积。燃料中含有大量氮气，因 而燃烧的排放污染很低。c 坦还推出了功率为4 0 m w 的燃气轮机，其外形与标 准的m s 6 0 0 0 1 b 燃气轮机大致相同，使用1 0 左右的柴油烧高炉煤气，也可以 直接燃用3 2 2 m j m 3 焦炉、高炉混合煤气。 美国g e 公司生产了9 f a t ”，双轴双燃料燃气轮机，燃气轮机型号为 p g 9 3 5 1 f 。这也是国内引进的最先进的燃气蒸汽联合循环机组。为了保证供 热的绝对安全，联合循环机组设计为双燃料，可燃用天然气及轻油。该型燃 气轮机配1 8 级轴流式压气机，带可调式进口导叶( i g v ) ，燃气透平为3 级， 燃烧系统有1 8 个燃烧室( 型号为d l n 2 。在i s o 工况下，使用气体燃料时 哈尔滨工程大学硕士学位论文 燃气轮机最大输出功率可达2 6 2 m w 。使用液体燃料时最大出力也可达到 2 5 0 m w 。 2 、国内方面 目前我国也对一些燃气轮机进行了由单燃料到双燃料的改造，积累了一 定经验，但缺乏深入的技术理论研究。 曾奕强f l l 】等探讨了p g 9 1 7 1 e 燃机改用双燃料系统的技术改造和经验，为 国内其他燃气轮机电厂“油改气”技术改造项目提供了一些借鉴和指导。上海 发电设备成套设计研究院为“油改气”项目的总承包单位，将使用1 8 0 # 重油的 机组改为油和天然气，提高了经济效益。 南京燃气轮机研究所的孟广太n 2 ，介绍了孤北热电厂m s 6 0 0 1 型燃气轮机 由单燃料系统改造成双燃料系统的改造情况。此外，由哈尔滨电站工程有限 责任公司承包的苏丹吉利联合循环电站项目中使用了p g 6 5 8 l n 3 ，型双燃料燃 气轮机。该机是南京汽轮机厂引进g e 技术并获授权生产的，其中转子、喷 嘴等由g e 原产。根据本项目需要，此机组采用了双燃料( 轻柴油液化石油 气) 系统，因而该机组采用双燃料喷嘴。 中国科学院工程热物理研究所徐纲、房爱兵【1 4 】等人将某型烧天然气的燃 气轮机改为烧中热值合成气，改造了燃烧室、燃机控制系统、燃料供给系统 和相关配套系统，并校核了燃机关键部件的通流匹配情况。在完成合成气燃 烧室设计、试验和制造之后，进行了燃气轮机组的安装调试、现场测试和考 核。该研究所建立了燃气轮机现场测试平台，进行了合成气燃气轮机的安装 调试、1 6 8 d x 时连续运行考核和第三方的燃机性能考核，初步掌握了燃机控制 系统和配套系统的改造技术。并在现场测试平台用贴片式热电偶对火焰筒壁 温进行了监测，用示温器测量了满负荷工况火焰筒壁温分布，用燃气分析仪 测量了燃烧室效率和污染物排放。考核结果表明燃机功率、燃机热耗、燃烧 效率、污染物排放基本达标。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 2 2 燃烧室数值模拟国内外研究进展 近年来，由于发动机性能不断提高，对于燃烧室的要求也日益苛刻。传 统的依靠试验进行的经验、半经验设计方法设计周期长、耗费大量财力，已 不能完全满足现代先进燃烧室的设计要求，从而促使以计算流体力学( c f d ) 、 数值传热学( n u t ) 、计算燃烧学( c c d ) 为核心，结合经验半经验关系式进行的 数值模拟方法得到快速发展。国外的数值模拟工作开展较早，技术也较为成 熟，而国内的数值模拟工作尚处于起步阶段。现对数值模拟的国内外研究进 展进行综述。 1 、国外方面 由于燃烧过程的复杂性，在2 0 世纪7 0 年代以前，燃烧的数学理论仅限 于描述基本现象，在燃烧技术上的应用局限于定性分析。燃烧室数值计算在 近三十年来取得了重要进展。1 9 6 9 年英国高斯曼( g o s m a n ) 等人出版了回 流流动中热量与质量交换一书，公布了应用涡量流函数法求解燃烧室中湍 流反应流的计算方法和程序，为计算燃烧学的形成和发展奠定了基础。美国 蒙吉尔( m o n g i a ) 等人曾为小发动机公司研制了先进的高温升回流燃烧室气 动热力计算程序，是用于实际燃烧室性能预估的第代燃烧室气动热力性能 计算软件。 为了提供先进燃烧室设计所必需的技术支持，世界各大发动机公司也投 入大量精力开发自己的燃烧室设计软件。美国g e 公司开发的c o n c e r t 软 件，英国r o l l sr o y c e 公司研制的p a c e 软件包和美国普惠( p & w ) 公司发 展的p e r a c h 软件包在物理模型、差分格式和网格生成方面均有很大改进， 可以称为第二代燃烧室气动热力计算软件，反映了2 0 世纪8 0 年代计算流体 力学与计算燃烧学的水平。 美国n a s a 刘易斯研究中心和各大喷气发动机公司在1 9 9 4 年成立了指 导委员会共同开发全国性的燃烧软件n c c ( n a t i o n a lc o m b u s t i o nc o d e ) 。目前， 随着燃烧理论模型的突破和算法的改进，许多商业软件相继上市，基于有限 容积法的p h o e n i c s ，f l u e n t ，s t 心c d ，c f x 和基于有限元法的f i d a p 哈尔滨工程大学硕士学位论文 均可用于燃烧。著名学者s v p a t a n k a r 教授在美国明尼阿波列斯组建了 i n n o v a t i v er e s e a r c h ，i n c ，推出了计算流动传热燃烧等过程的c o m p a c t 系列 软件n 耵。据最新资料n 町显示，r w b i l g e r 现正尝试要将条件矩封闭模型应用 在喷雾燃烧的模拟上。条件矩封闭模型现在受到越来越多人的使用，虽然它 和层流小火焰模型非常近似，但其可应用的范围更广。 国外对燃烧流场进行的研究也较为广泛。意大利e n e l 研究中心的s t e f a n o t i r i b u z i t ”，对某环形预混燃烧室的三维模型进行了粗网格划分，利用一种新的 c f d 方法k i e n 程序研究了由热量不稳定导致的压力震荡现象。该程序使用了 三维n s 方程，应用于可压缩流体，在边界上有热量交换，使用了有限体积 法。其基本原理是声学特征比流体流动性对热力不稳定性的影响更大。计算 结果与文献资料内容相符，对解释装置原理和试验结果很有帮助。 瑞典的c h r i s t o p h ed u w i g “町利用基于l e s ( l a r g ee d d ys i m u l a t i o n ) 程序的方 法对某无焰燃烧室进行了数值模拟，研究了无焰燃烧室的性能并为其优化设 计提供了有力依据，证明了该程序可用于无焰燃烧室的设计。k r z y s z t o f k o s t r z e w a 巾- - 和j o a c h i r nl e p e r se 埘提出了一种用于模拟火焰传播的新模型，并对某 燃烧室进行了数值模拟和试验研究。试验数据和数值模拟结果相符，验证了 该模型的有效性。 k s u d h a k a rr e d d y t 圳等人运用f l u e n t 程序对某旋流燃烧室内燃料的分布 状态进行了数值模拟。发现燃烧室中心轴的燃料扩散在低喷射压力下比高喷 射压力下快，雷诺数越高燃料沿轴向的喷雾锥越长。研究结果表明旋流的增 强有利于燃料和空气的混合，使回流区更加明显且离燃料喷嘴处变远。 w s h y y 、m e b r a a t e n 和d l b u r r u s 计算了c f m 5 6 环形燃烧室、c f 6 8 0 c 环形燃烧室、c f 6 8 0 c 环形燃烧室和一种研究用燃烧室。其计算方法主要是 采用非正交曲线坐标系及交错网格，并采用代数法和偏微分方程法相结合的 方法来生成贴体网格。m c c l i n e 和j m d e a r 等人采用修改的通用程序 k i v a - i i 对一种回流式环形燃烧室进行了计算。e j f l l l l e r 和c e s m i t h 采用了 商业程序c f d a c e 计算了环形燃烧室流场。a k t o l p a d i 、d l b a r r u s 和 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 r j l a w s o n 采用g e 公司c o n c e r t ( 2 d ) 程序计算了c f m 5 6 燃烧室涡流杯内部 冷态气液两相流场幢”。 e ，e k h a l i l 、d b s p a l d m g 和j h w h i t e l a w 等人对突扩式轴对称气体湍流流 动及燃烧进行了计算，计算中湍流模型取后一占模型，近壁区域采用壁面函数， 辐射模型取四通量模型。对燃烧取三种模型，第一是扩散燃烧的简化情况； 第二是扩散燃烧简化p d f 模型；第三是预混燃烧e b u - a r r h e n i u s 湍流燃烧模 型；采用s i m p l e 算法求解1 0 个联立方程，使用低松弛系数，迭代后所有计算 都单调收敛。计算结果和实验数据吻合较好。计算有燃烧时，用模型2 及模型 3 算出的速度场及湍能场更近于实际，但比无燃烧时吻合较差。计算所得燃烧 室中温度分布与实验数据的对照反映出二者定性上类似，但实测结果是温度 较高，而且分布更集中【引。这一工程应用实例反映出目前的湍流模型及湍流燃 烧模型基本上是可用的，但尚待进一步改进，以便更精确地进行工程装置的 估算和设计。 b e l k a c e ma d o u a n e 和p e t e rh o p p e s t e y n t1 等人用f l u e n t 软件，采用 r e y n o l d s 应力方程模型和有限反应速率模型对某燃气轮机燃烧室燃烧低热值 燃料的燃烧场进行了研究，主要考查了在三个不同的操作压力下，该燃烧室 的燃烧效率和n o 的排放量。模拟结果表明：热值在2 5 3 5 m j m 3 的燃料， 其燃烧效率均在9 9 以上，随着操作压力的降低，火焰平均温度和燃烧效率 均下降；n o 是燃烧该低热值燃料产生的主要污染物，主要是由燃料中的n h 3 转化而成，热力n o 的生成可以忽略不计；操作压力在0 4 m p a 以上时，燃料 n o 的模拟值与实验值十分吻合。从而证实了该模拟方法的可靠性，对以后该 低热值燃料的低排放研究有一定的参考价值。 可以看出，各国均对燃烧室数值模拟展开积极研究，应用各种程序进行 数值计算，也通过各种方法不断完善燃烧模型。针对特定型号燃烧室编写的 程序对该型燃烧室准确性较高，但其通用性有待考究。随着商业软件的不断 发展，f l u e n t 模拟燃烧是较为成熟的模拟软件，其可靠性也得到了试验验 证被大家广泛认可。 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 、国内方面 国内对于燃烧室的数值模拟起步较晚，对于燃烧室的数值研究也做了一 些工作。吕文菊旧，等人概述了某型航空发动机燃烧室工作稳定性的数值模拟 结果。采用修正的k 一占双方程紊流模型计算了燃烧室在慢车、最大、中间、 最大热负荷和高空小平飞下的三维流场、温度场和熄火特性。浙江大学的张 文普m ，等人针对某个环形燃烧室进行了数值模拟计算，认为采用数值手段得 到燃烧室出口温度分布并用以判断其是否满足叶片进口温度的要求是可行 的。 哈尔滨第7 0 3 研究所的苟柏秋幢引等人使用商业软件f l u e n t 软件对单管回流 燃烧室( c t 2 5 0 0 0 ) 燃烧流场进行了数值模拟，采用了k s 双方程紊流模型， 采用e b u 旋涡破碎燃烧模型，d t r m 模型来计算热辐射量。同济大学朱彤嘲 等人应用f l u e n t 程序、p d f 燃烧模型和离散辐射传热模型对低热值煤气高温空 气燃烧过程进行了计算机辅助模拟试验，比较了不同预热温度和不同过量空 气系数对低热值煤气燃烧过程的影响。 中国科学院工程热物理研究所的徐纲等人，对燃气轮机燃烧室燃烧天 然气和燃烧中低热值煤气分别进行了数值模拟比较。研究中采用标准j i 一占湍 流模型、壁面函数采用标准壁面函数、燃烧模型选用非绝热的p d f 模型、辐 射模型选用p 1 模型、并模拟了热力n o ，和瞬发n o 。，通过模拟结果得到： 原本燃烧天然气的燃烧室直接改为燃烧中低热值煤气，会产生燃料射流速度 太快、火焰太长及高温燃气直接冲击下筒壁出口等一系列问题，通过增大燃 料喷嘴口径可在一定程度上改善燃烧室内的流动情况。据报道中国科学院工 程热物理研究所研发的中低热值煤气燃烧室等技术已应用于兖矿国泰化工厂 6 b 型燃气轮机。 南京航空航天大学的雷雨冰啪，等人、中国科学技术大学的章诚啪，等人、西 北工业大学的严传俊，都对燃烧室的数值模拟模型进行了研究并提出对模型 的改进方法。西北工大的邹葆华口”对短环形燃烧室内三维两相燃烧流动进行 了研究。赵坚行脾，、盂岚洲、颜应文、张顺利汹，等人都对某种燃烧室内燃烧 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的三维流动进行了数值模拟方面的研究。 3 、国内燃气轮机燃烧室数值模拟的特点及存在问题 经过研究大量文献可以看出，国内对燃气轮机燃烧室的数值模拟主要有 以下特点： 1 ) 大多采用模型燃烧室，即对几何尺寸或外形进行了处理； 2 ) 对燃烧室模型进行了简化。如只考虑火焰筒内部流动，忽略了火焰筒上的 气膜冷却结构，忽略火焰筒厚度等； 3 ) 湍流模型一般采用k 一占模型或者用k 一占一g 模型加上a r r h e n i u s 公式； 4 ) 反应模型一般都采用“简单化学反应系统”或“快速化学反应”的假设； 5 ) 燃烧模型一般采用e b u - a r r h e n i u s 湍流燃烧模型或者用p d f 燃烧模型； 6 ) 对于双燃料燃气轮机燃烧室的数值模拟工作尚未开展。 由于对模型进行了简化，如去掉或简化气膜冷却孔、进行无壁厚处理， 改变了气流的流动方向，不能真实反映出燃烧室内的气流组织情况，计算结 果误差也较为明显。因此，对保留了气膜冷却孔的燃烧室实体模型进行数值 计算可减小误差，更具实际意义。 总之，在燃烧室数值计算方面，目前国内外对这方面的研究大多是针对 某种既定的燃烧室构型来验证其数值模拟方法的可行性，然后再通过结果对 其燃烧性能进行详细分析。对燃烧流场的数值模拟已能定性指导燃烧室的设 计，但尚不能进行精确的数值评估。对于双燃料燃烧室的数值模拟工作开展 较少，有待加强。因此，我们需要在燃烧理论的研究和燃烧模型的完善方面 做出长久努力，从而大大促进燃烧学的发展。 1 2 3 喷嘴的国内外研究进展 燃气轮机由烧油改烧不同的气体燃料时，由于燃料燃烧特性不同，燃烧 室的结构也需要进行一系列改动汹，。根据国内外的燃气轮机改造方案可以看 出，一般燃气轮机改烧高、中热值气体燃料，燃烧室仅需改造燃料喷嘴及其 供应管路即可保持原型烧油燃烧室的主要性能指标。对于改烧低热值气体燃 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 料，则需要对燃烧室的结构作重大修改。一般采用大尺寸单个简体燃烧室， 或采用体外回流环管燃烧室，保证燃烧室内流速足够低，燃气停留时间足够 长，以达到燃烧完全、火焰稳定、排放物少等要求。本文将烧油燃机改造为 兼烧柴油和属于低热值燃料的裂解气，因此主要改造系统是燃料系统。 喷嘴是实现燃料充分燃烧的关键部件之一，其性能优劣将直接影响燃料 浓度分布和燃烧流场，进而影响燃气轮机的性能b ”。因此，对喷嘴的结构参 数和雾化性能进行深入研究极为重要。双燃料喷嘴的特点是把气体燃料和液 体燃料集于一体，既要实现气体燃料的喷射，又要实现液体燃料的喷射及雾 化。因此，必须设计出结构合理的双燃料喷嘴，并调整参数以提高双燃料喷 嘴的雾化性能，从而得到合适的燃料浓度场和燃烧流场。现对其研究现状进 行研究从而为双燃料喷嘴的设计提供依据。 长期以来，喷雾和雾化的研究一直是燃烧技术研究的难点，喷雾特性研 究相当活跃，国内外的许多学者投入了相当大的热情和精力，也取得了一定 的成果。总结起来，喷雾研究主要有两种方法m ，：一种方法是理论研究，走 数学物理方法的道路：利用流体力学和数学推导，结合液体燃料的相关物理 特性，尝试走计算流体动力学( c f d ) 的道路，去模拟燃油的喷雾现象以及对 雾化机理作深层次的研究。另一种方法是实验测试方法，利用实验手段，对 喷雾质量评定参数进行测量。 1 、国外方面 实验是喷嘴研究的一个主要手段，但随着数值计算技术的发展，数值模拟方 法己经成为喷嘴研究的一个重要手段。r i z k m ，等人研究了压力雾化喷嘴液膜 的喷射情况，运用实验和数值模拟结合的方法研究了气体雾化喷嘴燃油雾化、 液滴湍流扩散、液雾蒸发以及燃烧等一些参数的变化情况，并总结出了有一 定应用范围的经验公式。文献【4 0 】【4 1 】运用c f d 方法研究了压力雾化喷嘴液 膜的喷射情况，采用a r b i t r a r y - l a g r a n g i a n e u l e f i a n ( a l e ) 的数值模拟方法追 踪了气液交界面，通过气液交界面预测了喷嘴出口处液膜的变化以及喷雾锥 角并采用实验与数值模拟结合的方法研究了喷嘴的结构参数对出口液膜厚 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 度、喷雾锥角以及出口速度的影响，为以后相关方面的研究提供了有参考价 值的数据。而后s m i t h m l 等人采用v o f 对气体雾化喷嘴的内流场进行模拟， 研究了液膜厚度、出口处液膜的变化、出口处速度以及喷雾锥角在不同工作 参数下的变化情况，并将模拟结果与实验结果进行了对比。s n o n n e n m a c h e r 和m p i e s c h e m ，对压力式旋流喷嘴的雾化做了较深入的研究。作者把问题分 为三个研究区分别计算：喷嘴内的计算、截面轮廓确定、液膜破碎为液束、 液束破碎为液滴。计算过程中参数相互偶合传递，采用f l u e n t 对喷嘴内流场 计算，用v o f 法来计算气一液相分界，最终得出喷嘴内外的运动参数和粒子 的sa u t e r 直径。a d a t t a 和s k s o m 州采用标准后一e 模型，对喷嘴内液 相和气相分别建立控制方程联立求解，在结论中指出了流量和结构尺寸对流 量系数和空气芯的影响，但是没有提供实验数据。 2 、国内方面 国内在喷嘴数值模拟方面的研究起步比较晚。1 9 9 6 m 1 年王振国等采用计 算流体力学的方法对气液同轴离心式喷嘴冷态液雾两相流场进行了数值模 拟，并与实验结果进行了对比。这是国内最早的对喷嘴应用数值模拟方法进 行的研究。2 0 0 2 年周立新，等基于单流体模型及气液两相混合分数的概念建 立了离心式喷嘴内流场的数学模型，计算结果给出了离心式喷嘴内部液膜与 气涡共存的流场结构及气液交界面的几何形状，计算得到的壁面压力分布、 出口处液膜内轴向速度分布以及雾角大小都与实验结果吻合的很好。与常用 的跟踪气液界面的a l e 方法相比，建立的数值模拟方法具有简单、计算量小 和易于实现的特点。王国辉“ 等对旋流式喷嘴进行了实验与数值研究，并采 用方法对喷嘴内三维气液两相流场进行了计算。并用该算法对喷嘴在不同结 构尺寸下的流动过程进行了计算，得出了关于旋流器螺旋升角和槽道数会对 喷嘴的雾化角产生显著的影响。李春辉“。，等使用f l u e n t 软件对0 9 5 , - 一0 4 背 压比下，喉径分别为2 0 m m 、8 m m 和2 m m 喷嘴的流动进行了数值模拟计算。 对临界压力比的模拟结果表明：在相同设计临界背压比下，计算得到的临界 背压比较设计值低，而且随着临界流喷嘴喉径的增加有缓慢地增加。此外， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 通过计算得到了各喉径下喷嘴流出系数，模拟与实验结果的差异保持在可接 受的范围，且有相同的变化趋势。 总之，国内外学者大多应用实验方法总结出喷雾模型或对现有的模型进 行修正，试图建立一个综合了理论计算和实践经验的半解析模型，它包括油 膜破碎、油丝形成、油珠形成及油珠二次雾化的各个辅助模型等辅助模型。 但是目前还没有研究出一个通用的喷雾模型，有的只是对特定喷嘴通过实验 总结出的计算模型。由于本文侧重双燃料喷嘴对燃烧流场的影响，因此对喷 嘴的设计和结构改进将结合燃烧室燃烧流场模拟结果进行。 1 3 本文主要研究内容 1 3 1 研究内容 本文的研究内容分为设计和计算两部分，针对某型燃油燃机完成其双燃 料喷嘴的结构设计和性能研究，并对该双燃料燃烧室的燃烧流场进行数值计 算。主要研究内容可概括如下： l 、按要求完成双燃料喷嘴的结构设计和实体建模。 2 、将喷嘴模型安装到某型燃气轮机燃烧室模型中，调整喷嘴参数，强化燃料 与空气的掺混，使其燃油雾化性能达到最优。 3 、模拟燃烧室的燃烧过程，研究双燃料燃烧室的性能，如燃烧流场组织情况， 出口温度分布品质，壁温，排气污染等。 4 、对燃油流场、燃油时蒸汽回注流场、燃烧裂解气流场和不同油气比下的双 燃料燃烧流场进行数值模拟，研究裂解气占不同比例时燃烧室的性能差 别。 5 、在保证出口焓值不变的情况下，拟合出柴油和裂解气的质量转化关系。 本文的重点和难点可以概括如下： 1 、在保证燃烧稳定且不改变火焰筒结构的前提下，供入大量裂解气，设计出 结构最合理，特性参数最优的双燃料喷嘴是本设计的重点和难点。 2 、为提高数值计算的精度，本文应用燃烧室的实体模型作为研究对象，没有 1 2 哈尔滨工程大学硕士学何论文 对模型进行简化。由于燃烧室结构复杂而且火焰筒上分布着大量小尺寸冷 却孔，从而使该燃烧室的网格划分成为本文难点之一。 3 、目前国内对燃气轮机燃烧室同时烧油和气的数值模拟工作尚未开展，因此 寻找到最恰当的计算模型是本文的难点。 1 3 2 研究方案 本文针对某型烧油燃气轮机的喷嘴进行改造，保持原用喷嘴的外形尺寸， 根据某型燃气轮机燃烧室给定的工作参数，设计出符合要求结构合理的双燃 料喷嘴。依据喷嘴设计手册确定其特性参数，应用p r o e 软件进行实体建模。 应用p r o e 软件对某型燃气轮机燃烧室进行三维实体建模，用g a m b i t 软 件对双燃料燃烧室的实体模型进行网格划分，并用f l u e n t 软件对燃烧流场进 行数值模拟。进行数值计算时，采用k 一占湍流模型对湍流特性进行模拟；采 用快速反应简化p d f 模型来模拟燃料燃烧；考虑到热辐射对壁温和气流温度 的影响，采用离散坐标辐射( d o ) 模型；采用颗粒群轨道模型来描述液相油 滴的运动轨迹和变化历程；采用污染物生成模型对热力n o 和瞬发n o 的生 成进行模拟。数值模拟过程中，对控制方程采用迎风格式的差分格式进行离 散，壁面处理采用标准壁面函数、法【例；采用s i m p l e 算法来求解离散方程。 哈尔滨- t 程大学硕士学位论文 第2 章数学模型与数值方法 燃气轮机燃烧室内部的燃烧是一个极为复杂的湍流燃烧流场，包含湍流 流动、传热、传质、雾化和燃烧等一系列过程。要对其流场进行数值计算， 必须首先建立描述其规律的数学表达式，即得到其燃烧流场控制方程。本章 着重讨论各种数学物理模型的选择，这也是数值模拟的基础和出发点。 2 1 流场基本控制方程 燃气轮机燃烧室内部三维稳态湍流反应流场，从输运定律出发，依据燃 烧规律并基于连续介质假设，其守恒型基本控制方程组在直角坐标系中可表 示为： 连续方程 动量方程： 其中： 毒c 以 专c 朋朋一毒+ 毒c 勺， 纠一一 矿c 考+ 筹，一詈尝毛 ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) 誊鬻l 删。q考l ( 厂，一凡m 考+ ( 一厂 ) 毒c 等) j + 组分方程：考( 删川5 毒【厂，善j + 马h 一，n c 2 川 式中：乃混气的总焓， = y m , h , + 圭材2 ，； j j i ，组分的静焓，岛= f c ，刀+ 呜0 ，j k g ； 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 向。韫度为乃时，组分的焓值，j k g ； 局j 组分的生成率； f ，组分的交换系数，f = d f p ； q ，组分的等压比热，j ( k g k ) ； 、m 分别是，组分的质量分数、摩尔质量，g m o l ； 口、l 分别是混和气体的扩散系数、热交换系数，l = 吒； 心、分别是混和气体的粘性系数、普朗特数，0 9 ； 、刀分别是辐射热流和组分数。 经分析，上述基本方程组均由对流项、扩散项和源项组成， 统一的形式表示为： 西v ( 倒矽) = 破v ( 矽谢矽) + s 式中：待求的未知量； 故可将其用 ( 2 5 ) l 对应于的扩散系数； 邑相应的源项。 将控制方程写成统一的形式有助于利用数值计算方法来求解旧，。 2 2 湍流流动模型 湍流是一种高度复杂的三维非稳态、带旋流的不规则流动1 s t ，湍流流动 也是工程技术领域与自然界中常见的流动现象。湍流流动的特征是在运动过 程中质点具有不断地互相掺混的现象。在湍流中各种物理参数，如温度、速 度、压力等都是随时间与空间随机变化的。 模拟湍流流动的数学模型有多种，如七一占模型、七一缈模型、雷诺应力 1 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 模型、大涡模拟等。根据各自的优缺点和使用范围的不同，这些湍流模型被 应用于各种工程实际中。其中应用最广泛的是k 一占模型。 2 2 1 标准k s 双方程模型 在对燃烧室三维湍流流场进行数值模拟时，采用雷诺时均方程法。其基 本思想是：湍流量的瞬时值可以写成其平均值和脉动值的线性叠加，即所谓的 雷诺分解。假设雷诺应力与粘性应力一样，应力张量是变形率张量的线性函 数，可以类似引入湍流粘性系数。 七一占双方程湍流模型是目前使用最广泛的湍流模型。它是由l a u n d e r 和 s p a l d i n g 于1 9 7 2 年提出的，其输运方程为 掣+ 掣= 邻+ 箦崩哪g 一场+ 呦 挈+ 掣= 邻+ 箦崩也净m 。p 知 其中，q 是由于平均速度梯度引起的湍流动能七的产生项，由下式