（工程热物理专业论文）等离子点火器出口点火能量数值模拟分析.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 燃气轮机燃烧室的点火是启动过程中的一个重要环节。通过它，可以向 燃烧室输入一定能量，直接把主燃料炬点燃：或者使少量的启动燃料首先点 着，形成点火火炬，然后依靠它再去点燃整个燃烧室的主燃料炬。当燃烧室 的主火焰能够连续而又稳定地维持后，点火过程就此结束。 等离子体点火器是等离子体技术在动力与能源工程领域中应用而产生的 一种新型点火装置。其高密度能量对空气或可燃混合物进行热学作用，进入 等离子体点火器内的空气和雾状燃料经历的过程非常复杂，它涉及气体湍流 流动、传热、传质、化学反应、辐射等过程。对描述其过程的非线性控制微 分方程组，到目前还无法用解析法解出。对于燃烧设备来说，如果不能深刻 理解和准确描述其工作过程，就很难将其变成更有效的工作装置。 本文对等离子体点火器内燃烧过程进行了三维模拟，通过构造反映等离 子体点火器内部流动规律的基本方程组，建立了描述点火器内部复杂燃烧过 程的数学模型。其模型包括：模拟湍流流动的标准的r f 模型；模拟内部湍 流燃烧的非预混湍流燃烧模型；模拟辐射传热的d o 辐射模型等。对于控制 方程采用混合差分格式进行离散，壁面处理采用壁面函数法，压力速度耦合 问题采用s i m p l e 算法。 通过数值模拟计算，讨论了改变空气过量系数对等离子点火器出口面上 燃气混合物组分、内能、化学能、出口点火能量的影响。并对燃烧组分发生 变化时对等离子点火器出口面处上述各参数的影响做了分析。这对实际等离 子体点火器的结构设计和改进将起到重要的指导意义。 关键词：等离子点火器；数值模拟；湍流燃烧；点火能量 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ei g n i t i o no f t h ec o m b u s t o ri st h ei m p o r t a n tp r o b l e md u r i n gt h es t a r t u po f t h eg a st u r b i n e b yi t , c a ni m p o r tt h ee n e r g yt ot h ec o m b u s t o r , i g n i t e sh o s tf u e l t o r c hd i r e c t l y ；o rm a k eal i t t l ef u e lb eb u r n i n gf i r s t ，f o r m i n gf i r i n gt o r c h , a n dt h e n d e p e n do ni t , i g n i t e st h eh o s tf u e lt o r c ho ft h ec o m b u s t o r w h e nt h eh o s tf l a m eo f t h ee n m b u s t o rc o u l dm a i n t a i ns t a b l y ，f i r i n gp r o c e s si so v e ra tt h i sp o i n t 1 1 1 ep l a s m ai g n i t i o ni so n eo ft h en e wi g n i t i o nd e v i c et h a tp r o d u c e dw h e n t h ep l a s m at e c h n o l o g ya p p l i e di nt h ep o w e ra n de n e r g yp r o j e c td o m a i n h i 曲 d e n s i t ye n e r g yo ft h ep l a s m ai g n i t i o nc a r r i e so nt h eh e a ta n dc h e m i c a le f f e c tt o t h ea i ra n dt h ef u e lm i x t u r e ，p r o d u c e dag r e a td e a lp l a s m aa c t i v a t i o nc a r r i e r t h e a i ra n df o gf u e l e x p e r i e n c e de x t r e m e l yc o m p l e xp r o c e s s ，w h i c hi n v o l v e st h e t u r b u l e n c ef o l w ，h e a t 拄a n s f e r c h e m i c a lr e a c t i o n , r a d i a t i o na n ds oo n f o rt h e n o n l i n e a rc o n t r o l ss i m u l t a n e o u sd i f f e r e n t i a le q u a t i o nt h a td e s e r i p tt h ep r o c e s sw e c 勰n o ts o l v ei tw i t ht h ea n a l y s i sl a w a sf o rt h eb u r n i n ge q u i p m e n ti f w ec a nn o t p r o f o u n d l yu n d e r s t a n da n da c c u r a t e l yd e s e r i p ei t sw o r kp r o c e s s ，t h a tw i l ld i f f i c u l t t oc o n s t r u c te f f e c t i v ee q u i p m e n t t h i sa r t i c l eh a sc a r r i e do i lt h et h r e ed i m e n s i o n a ls i m u l a t i o nt ot h e c o m b u s t i o np r o c e s st h a ti nt h ep l a s m ai g n i t i o n , c o n s t i t u t i n gs o m et h ee q u a t i o n s w h i c hr e f l e c tt h ef l o wl a wa n db u i l d i n gm a n ym a t h e m a t i c a lm o d e l so fp h y s i c a l a n dc h e m i c a lr e a c t i o n si nt h ep l a s m ai g n i t i o n ：a p p l y i n g c - - ft u r b u l e n c em o d e l t oc a l c u l a t et h et u r b u l e n c ep a r a m e t e r s ；a p p l y i n gt h en o n - p r e m i x e dc o m b u s t i o n m o d e lt os i m u l a t et h et u r b u l e n c ec o m b u s t i o n ；a p p l y i n gt h ed om o d e lt os i m u l a t e t h er a d i a t i o nh e a tt r a n s f e r u s i n gt h em i x i n gf o r m a tt od i s p e r s et h ee q u a t i o n sa n d a p p l y i n gs i m p l ea l g o r i t h mm e t h o dt os o l v ep r e s s u r e - v e l o c i t yc o u p l i n g t h r o u g ht h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，d i s c u s s e di m p a c to nt h ep a r a m e t e r sb y c h a n g e dt h ea i rc o e f f i c i e n t , t h e s ep a r a m e t e r si n c l u d et h ec o m p o s i t i o no ft h e c o m b u s t i o n , i n t e r n a le n e r g y ，c h e m i c a le n e r g ya n dt h et o t a le n e r g yi nt h eo u t l e to f t h ep l a s m ai g n i t i o nb yc h a n g e dt h ea i rc o e f f i c i e n ta n a l y s e dt h ei m p a c to nt h e 哈尔滨工程大学硕士学位论文 p a r a m e t e r st h a th a v em e n t i o n e da b o v ei nt h eo u t l e to ft h ep l a s m ai g n i t i o nt h r o u g h c h a n g e dt h ec o m b u s t i o nc o m p o s i t i o n t h e s er e s u l t sa r es i g n i f i c a n tt od e s i g na n d i m p r o v et h ep l a s m ai g n i t i o n k e yw o r d s ：p l a s m ai g n i t i o n ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；t u r b u l e n c ec o m b u s t i o n ； i g n i t i o ne n e r g y 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) ：盈选查 日期：2 0 0 7 年占月，彳日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 棚述 等离子体是物理学科研究中的一个分支，目前等离子体技术已被广泛地 应用于国防、工业、农业、环境、通信等一系列国民经济发展领域，例如： 微电子电路等离子体镀膜、刻蚀、沉积等加工过程，极大地推动了信息产业 的发展，促进了工业科技进步。特别是进入2 1 世纪，随着科技进步和社会发 展，人类的生活质量不断提高，随之而来的人口与寿命增长，全球资源日趋 枯竭，生态破坏和环境污染，已成为全球面临的严峻问题，全世界对此已高 度重视，人类不得不反思以往行为，重新审视当今社会的经济发展模式，再 不能以破坏地球生存环境为代价来换取经济的高速发展，而要最大限度地减 少资源浪费，利用浩瀚的宇宙存在的自然条件，向海洋、太空索取能源和资 源，其中等离子体自然界中物质存在的第四态就是2 l 世纪需大力开发的 新技术之一。 1 1 1 等离子体概念 等离子体是由带电的正粒子、负离子( 其中包括正离子、负离子、电子、 自由基和各种活性基团等) 组成的集合体，其中正电荷和负电荷电量相等故称 等离子体。它们在宏观上是呈电中性的电离态气体( 也有液态、固态) 。这种 电离态气体要符合等离子体存在的空间与时间矢量条件，也就是说等离子体 中的粒子密度和能量分布要满足在质量和能量特定范围才能达到等离子体自 持稳态的时空矢量场。 宇宙星际空间在地球上空的电离层、日冕以及雷雨时的闪电等都属自然 界的等离子体形式。太阳本身就是一个炽热发光的等离子体火球，已存在上 亿年了，在浩瀚的太空宇宙中绝大多数物质都里等离子体状态存在，因此等 离子体是物质存在的基本形态，它与众所周知的物质三态也就是气态、液态、 固态并列称为物质的第四态，即等离子体态。它与已有的三态相比，无论在 组成上还是性质上均有本质的差别。主要表现为： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 等离子体从整体上看是一种导电流体。 气体分子间并不存在净电磁力，而等离子体中电离气体带电粒子间 存在库伦力，由此导致带电粒子群的种种集体行为，如等离子体震荡和等离 子体辐射等。 1 1 2 等离子体的应用 目前，等离子体的应用研究涉及物理、化学、工程等各个领域，形成了 三大交叉学科等离子体物理、等离子体化学和工程等离子体。下面分别 就这几方面的应用进行介绍。 1 ) 等离子体物理u 叶1 等离子体物理是物理学科的一门分支，内容包括支配等离子体行为的基 本定律和物理过程。其重要的两个子领域是：磁流体动力学，涉及在磁场中 电流体的性能；电流体动力学，涉及电场中带电流体或质点的行为。 由于等离子体的复杂性，其研究方法主要有以下3 种； 把等离子体当作连续流体来处理，该法主要应用于热平衡等离子体领 域。 把等离子体当作单个离子的集合体，这种方法适用于工业等离子的大 多数分支。 应用所谓的黑匣子理论，即不注重内部的等离子体物理过程，只研究 输入和输出。 2 ) 等离子体化学 等离子体化学是化学学科的一个分支。研究存在等离子体时所发生的多 相化学反应，包括等离子体和气体均是参与者的化学反应，或者在化学反应 中，等离子体的组分或等离子体化学的生成物，与固体或液体再相互作用。 鉴于等离子体和化学的完美结合，等离子体化学作为- i 1 新兴的多学科交叉 的前沿科学，在化学合成、薄膜制备、表面改性、精细化学加工、商分子材 料等领域有着广泛的应用前景。在2 0 0 5 年召开的第1 7 届国际等离子体化学 会议论文集中，等离子体化学的应用涵盖了以下1 5 个方面州： 等离子体表面交互作用基础。 气相等离子体诊断。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 等离子体化学模型化。 非平衡效应及常压等离子体过程。 等离子体源。 微电子中的等离子体过程。 等离子体强化化学气相沉积。 无机物等离子体沉积及硬覆盖。 等离子体沉积及聚合物处理。 团簇、颗粒及粉末。 等离子体化学合成。 等离子体溅射及热等离子体材料加工过程。 等离子体辅助燃烧。 等离子体生物方面的应用。 等离子体环境方面的应用。 可以看出，等离子体化学的应用范围涉及了物理、化学、材料、生物、 环境等各个方面，特别提出的是等离子体生物方面的应用是最近一些年新发 展出来的，而且等离子体化学还在继续扩大其应用领域。 3 ) 等离子体工程 等离子体工程是研究等离子体的发生以及等离子发生装置的学科，包括 对等离子体源、等离子体装置的设计及应用的研究。 由于等离子体在各方面的广泛应用，因而对等离子体源及等离子体装置 的要求也越来越多，为了适应各方面的要求，目前已有的高压等离子体源包 括直流、直流脉冲、低频交流、中频交流、高频交流等。而采用不同反应装 置及等离子体源所获得的各种等离子体，包括热平衡等离子体，如弧光放电 等离子体，非热平衡等离子体等。 4 ) 等离子体工业应用实例 虽然等离子体的应用研究很广，但是目前成功运用于工业上的等离子体 技术并不是很多，下面将分别作简单的介绍。 等离子体最早在化工上的应用是等离子体合成臭氧，从2 0 世纪初发展到 现在已经非常成熟。 等离子体化学合成的另一个应用是用于产生炭黑，其主要的原理还是利 哈尔滨工程大学硕士学位论文 用等离子体所产生的熟对原料进行热裂解，可用的原料包括各种碳氢化合物， 如甲烷。目前一个研究的重点是如何从生物质直接产生炭黑及氢气。 从2 0 世纪7 0 年代开始，等离子体被成功应用于微电子工业中，主要用 于微电子电路制造过程中所必需的沉积、刻蚀等加工过程。 近些年来，由于等离子体物理的不断发展，等离子体开始广泛应用于显 示器中，目前比较成功的是等离子体电视，相比较普通c r t 电视及液晶电视， 具有很多优点。 等离子体还广泛运用于高分子材料表面的处理，以提高或者改善材料的 可湿性、可印刷性及吸附能力等。 1 2 本课题研究的目的和意义 能源技术、材科技术和信息技术是构成人类现代文明的三大支柱。能源 是人类社会发展的物质基础和先导。世界经济发展到今天的水平，石油作为 最重要的能源之一的地位依然未受到根本性影响，而且，在可预见范围内， 这个地位也不会因世界新能源技术的进步而削弱。近年来，用油量的居高不 下和油价的大幅上涨己严重影响了生产的成本和经济效益。在竟价上网的大 背景下，推广应用少油点火的先进装置是降低生产成本和提高竞争力的有效 途径。 目前，针对易燃混合物的最常用的点火方法主要有以下4 种：利用炽热 表面；小火焰；电火花；激光感应点火。它们的主要缺点是：较长的 点火迟滞时间并且热源持续时间短( 利用炽热表面点火) ：容易熄灭并且需要 一定量的气流来维持( 小火焰点火) ；需要一个高能量的脉冲激光源( 激光感应 点火) 。电火花点火是一种可靠的、已被广泛接受的点火方式。这些点火方式 都存在一个共同的闯题：点火过程只发生在一个很小的体积范围内，在混合 气体轴向速度较大而火焰横向传播速度较小的情况下，必将导致燃料的不完 全燃烧。 等离子流点火技术是基于等离子体的高速射流所固有的理化特征发展起 来的一种高效点火技术。常规火花点火器采用的是热能机理，而等离子流点 火器依靠的是高温等离子体的高速射流效应，这是它们的最大不同。当等离 子体以高速射流方式喷射到燃烧介质中时，就会产生化学和气动双重效应。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 化学效应的产生是由于等离子生成的相当数量的氢原子基团加快了化学反应 速率，因而增加了火焰传播速度；气动效应是高速等离子核流穿过油气混合 气时穿透深度增大、紊流度提高而产生的，它扩大了火焰的焰峰面积。 众所周知，在现代物理学中，已有许多人把等离子体看作物质存在的一 种状态。等离子体由处于电离状态下的等量的正、负离子的混合物构成，因 而具有显著的电磁性。常见气体的等离子体是经过分子的离解而产生的。在 常压下，多数气体的等离子体只能在高温时才能保持离解状态：反之，正、 负离子就会不断地重新聚合成分子，在聚合过程中释放出大量的能量。 电弧实际上就是一种释放能量低于强弧的极间等离子体放电现象，由于 极间等离子体对电流形成电阻，所以放电电弧释放出热能和光能。当通过特 殊手段( 如机压缩或电压缩) 使电弧收缩时，便形成了等离子强弧，即等离子 体强流。这种强离子弧加强了电离度，缩小了电弧断面，从而能向较小的区 域集中传递能量。工程上常采取的措施是使放电电弧处于被外壁包围的约束 空间中，以便放电电弧放热膨胀时，等离子体以高速射流的形式穿过尺寸有 限的外壁孔道( 如锥形或收敛扩散形孔道) 喷向外界。在热收缩效应和磁收缩 效应的作用下，等离子体射流核心往往保持很高的温度( 约为几千摄氏度) ， 成为有效的燃烧器点火源。等离子流点火器就是基于这一原理设计的。 等离子流点火技术之所以引起普遍关注，是因为它具有常规点火器无法 比拟的下述特征和优点： 由于等离子流高温核团是以高速射流方式喷射而出的，所以有利于点 火介质在被点火介质内的定向迁移，而射流的扩散又有利于火焰面的扩展， 从而有效地提高了火焰传播的体积影胀速率。 等离子射流的主体温度高达几千摄氏度，而焰流中等量的正、负离子 在聚合反应中又释放出大量热能，所以焰流在接触外界介质的初期能够维持 本身的温度，因而等离子流的点火能力特别强。 等离子射流中的离子态物质特别有助于强化燃烧反应，它象火炬一样 把高温、高电离的燃气流喷入混合气中，在点火过程中产生化学效应和气动 效应，因而强化了点火效能。 此外，等离子流点火系统的电热转换效率比常规半导体高能火花点火系 统的高得多，系统功率一般也要比后者的高出一个数量级，这也是普遍认为 哈尔滨工程大学硕士学位论文 等离子流是目前比较理想的点火源的原因之一。 正是因为等离子流点火系统具备了上述特征，因此它比常规火花点火器 更具优点和发展潜力。它不但在较宽的温度和压力范围内提高了点火能力， 改善了燃烧器的点火工况，而且点火更可靠。 基于等离子点火有上述诸多优点，设计出性能优异的等离子点火器对降 低能源消耗，提高能源利用效率，构建节约型社会都有着重要的意义。 1 。2 等离子点火器在国内外研究现状 1 2 1 国内研究现状 高能等离子点火装置是国家计委和国家电力公司重点推广的节能新技 术。我国从上世纪七十年代中期陆续开展了对等离子点火技术的研究工作， 虽然进展较缓慢，但到目前为止都取得了突破性的进展。煤粉锅炉等离子点 火技术，通过几年的电厂实际应用已经全面成熟。2 0 0 0 年2 月1 5 日，经过 3 0 多年的科研攻关，“等离子点火”被成功应用于烟台发电厂燃用贫煤 5 0 m w 机组，在世界上尚属首次，专家鉴定“达到了世界领先水平”。现有 火电机组全部改造成为等离子点火，每年可以节约燃油6 0 0 万吨以上，为电 厂节约发电成本3 0 0 亿元，相当于为国家节约了一座中型油田的原油1 。 2 0 0 4 年5 月8 日中俄重大合作项目等离子点火装置通过国家鉴定，这一 装置由洛阳高新区博i i 于特公司与俄罗斯科技工作者经过两年多的技术攻关， 于2 0 0 3 年1 1 月份研制成功。经国家电力热工研究院及相关部门组成的鉴定 专家现场实测，该装置点火热效率最高、寿命最长，属于目前世界上技术最 先进的火电等离子点火装置。该装置的研制成功，不仅可替代传统的火力电 厂点火装置，且运行费用仅为传统点火方式的1 5 0 a 2 0 ，因此每年可为国 家节省重油1 0 0 0 多万吨，节省燃油费用2 0 0 亿元，尤其对新建火电厂可节省 上千万元的设备投资，推广意义巨大。 近年来，为满足先进高性能航空发动机的需要，我国的航空工作者及其 点火技术专家们对等离子流点火技术也进行了广泛深入的研究。他们在早期 曾进行的理论探索研究的基础上，仅用了几年时间就取得了满意的进展，成 功地解决了系统质量、点火器尺寸以及电磁干扰控制等关键技术，尤其是在 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 利用介质冷却点火器电极的延寿措施方面具有独到之处，可靠性和紧凑性达 到先进技术水平。 - 哈尔滨工程大学开展等离子点火技术的研究有近1 0 年的历史。先后完成 了3 个型号的燃气轮机等离子点火系统的研制工作。并已经装备订货：完成了 锅炉用等离子点火和强化燃烧系统的设计与试验室试验工作。该大学研制的 等离子点火系统具有完全自主知识产权。性能指标全面达到了国际同类设备 的水平。 目前，针对等离子点火器内部燃烧流场的数值模拟研究方面，国内起步 比较晚，长期以来都采用试验的方法来调整燃烧设备的结构设计，这样就要 付出大量的入力物力，经济代价很高。从上个世纪七十年代到八十年代人们 开始重视用数值模拟的方法来研究等离子点火器内部湍流燃烧流场。所做的 工作主要有以下特点：采用实际等离子点火器样机模型旧；流动为稳定流动； 燃烧一般采用非预混或预混燃烧的“简单化学反应系统”和“快速化学反应” 假设m 川；湍流模型一般采用r n gj f 一占模型或者标准的r 一占模型；辐射 模型采用离散坐标辐射模型或离散传播辐射模型等。 1 2 2 国外研究现状 等离子流点火技术早在2 0 世纪7 0 年代初就已引起了各国专家们的注意。 但由于当时的技术条件限制，其研究仅限于工业燃烧器方面。直到7 0 年代末 至8 0 年代初，才正式出现了一些用于大型工业燃烧设备下的等离子点火装 置。不过，在当时技术背景下，用于燃煤锅炉这类工业燃烧设备上的等离子 流点火系统仅限于采用笨重的工频变压器和水冷式等离子枪点火装置。8 0 年 代中期，该技术开始转向地面燃机和航空航天动力装置的应用研究上。这期 间也正是航空航天技术全面发展的时期，随着燃烧动力学和其他高科技的发 展，等离子流点火技术以它固有的特点和潜在的优势逐渐成为航空航天动力 装置的候选先进技术方案之一。到9 0 年代已经有很多国家开展了等离子点火 设备的研究，尤其是前苏联某些国家已经把该系统用于远距离输油干线的燃 气轮机泵站上，并由很多学术机构参与这一领域的研究工作。前苏联( 包括现 在的俄罗斯) 、美、日、英、法、德等国，均投入大量的人力、物力、财力从 事等离子流点火技术的研究，国际竞争十分激烈。 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 9 8 7 年，美国执行了一项由政府、工业界、学术界联合实施的“综合高 性能涡轮发动机技术( i h p t e t ) 计划”，目的是为2 0 0 3 年以后更先进的高性 能、高推重比航空涡轮发动机提供技术保障，而用于发动机燃烧室的等离子 流点火器就是该计划第二发展阶段的重点研制项目之一，其先进性和可行性 可见一斑。1 9 8 8 年，英国r r 燃料加注公司燃烧研究室和利兹大学机械工程 系一起利用a i t 高空试验台在泰发动机环管形燃烧室上对火花塞集束放电等 离子流点火器成功地进行了试验，试验验证了该技术在航空发动机上应用的 可行性和加强的高空二次点火能力。1 9 8 9 年，前苏联中央航空发动机制造研 究院曾在前苏联航空技术展览会上推出了一种能够应用于航空发动机上的等 离子流点火系统，虽然前苏联声称该系统可用于各种装置的可燃混合物高效 点火，但至今未发现该装置用在航空发动机上。2 0 世纪9 0 年代，随着电子 器件和高温材料技术的迸一步发展，大功率集成模块和逆变电路有效地减小 了等离子流点火装置的质量和体积；高温稳定性材料和传热技术的运用与发 展也使得等离子流点火器的冷却方式、质量和外廓尺寸有了迸一步满足航空 发动机适航性要求的可能。近年来，国外在航空实用型等离子流点火系统的 开发方面呈加速趋势。 由于计算流体力学与计算燃烧学的发展主要在西方国家，所以在国外从 二十世纪以来对流体与燃烧的数值模拟已有相当大的成就。七十年代有人设 计了燃烧室的一维模型，给出了部分燃烧产物的含量。同时也有人作出了轴 向与径向的二维模型，可以计算简单的化学反应。到了八十年代，已经开始 用贴体坐标进行计算，计算结果与试验符合较好。在九十年代，随着燃烧理 论和计算机容量的增大已经可以把复杂的燃烧室的流动情况模拟清楚，不但 大大减少了试验工作量，而且弥补了实验设计方法不足，提高了优化设计的 程度。随着计算流体力学和计算燃烧学的发展，国外已出现许多有关计算流 体力学和燃烧学的软件，如1 9 7 6 年英国s p a l d i n g 等人编制的p h o e n i c s 大型通用计算程序中，其中己经涵盖了可以用来模拟传热、流动、化学反应 及燃烧过程的程序模块，可以用来预估燃烧室的燃烧流场：美国g e 公司在 上个世纪8 0 年代开发了c o n c e r t 软件，采用三维贴体坐标系、二阶迎风 差分格式、扩散控制的p d f 湍流燃烧模型，并声称已从现代环形燃烧室三维 流场计算中获得了实际有用的结果。目前，随着计算流体力学的完善和燃烧 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 理论模型的改进，新的通用计算软件被不断推出，如f l u e n t ， c f x ，p h o e n i c s ，s t a r - c d ，c f d r c 等，其中f l u e n t 软件在燃烧过程的数 值模拟中应用最为广泛。它是f l u e n t 公司开发的用于模拟流动、传热、燃 烧等问题的大型通用软件m ，包含了目前最常用的或比较先进的湍流模型、 燃烧模型、热辐射模型、多相流模型，可以采用非结构化网格和结构化网格， 具有以压力为基础的算法( s i m p l e ) 和以密度为基础的算法。可以计算从低 速到高速的流动问题。被认为是目前最好的模拟燃烧流场计算的商业软件。 通过对商业软件的学习可以在进行试验和设计之前预测燃烧器的性能，较少 试验或设计的时间和盲目性。 1 3 本文的主要研究内容 本文应用f l u e n t 商用软件对等离子点火器内部湍流燃烧流场进行数 值模拟，通过对不同工况下的模拟结果进行分析比较得到较为合理的方案， 从而对等离子点火器的设计起到指导作用。其具体研究内容如下： 1 ) 对已建立的等离子点火器几何模型衅一q ，将其计算区域引入贴体坐标 系，采用非结构化网格将其离散化； 2 ) 构造反映等离子点火器内部湍流燃烧规律的基本控制方程组； 3 ) 选用合理的用来进行模拟计算的各模型。其中涉及湍流模型、燃烧 模型、辐射模型等； 4 ) 确定边界条件，选用壁面函数法处理壁面边界； 5 ) 改变燃料、空气进口质量流量来对等离子点火器进行模拟计算，得 到不同空气过量系数下的模拟结果； 6 ) 通过改变等离子点火器内部燃烧组分，分析不同成分对等离子点火 器出口点火能量的影响； 7 ) 对数值模拟结果进行分析、讨论，在所得结果中总结出较为合理的 方案，用来指导实际点火器的设计工作。 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章湍流燃烧理论及模型 2 1 湍流燃烧及其特点 在实际的燃烧过程中，其流动工况通常是湍流的，而湍流的出现不仅影 响着流场的特征，影响着所有输运过程，也影响着燃烧速度。但由于我们对 湍流的本质尚缺乏深入的了解，对于实际的湍流过程我们不得不用近似和模 型的方法来解决。 以本生灯火焰为例，当r e 1 1 6 3 时，流动处于对数律层， 此时的速度“。可表示为； l 矿= 二l i l ( e y + ) ( 4 - 2 9 ) r y + 可按下式计算； 矿：坐坚1 4 生i 2 1( 4 3 0 ) r ：亟二墨! 丝嬖 4 生1 2 1( 4 3 2 ) r ：p r y7 i n 学 孵， p = 9 2 4 ( 言) 3 “一t ( t + 。2 。口7 m ) c 4 s 4 ， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 竺：0( 4 3 5 ) 锄 其中珂是垂直于壁面的局部坐标。 在与壁面相邻的控制体积内，构成后方程源项的湍动能产生项q 。及耗 散率占，按局部平衡假定来计算，即在与壁面相邻的控制体积内伍和占都是 相等的。从而，q 按下式计算： ( j k l w 万o u1 w 面靠 c 钙6 ， c v 珀9 l ：置：。肿 占按下式计算： s ：垡竺( 7 ) 凼， 注意，在与壁面相邻的控制体积上是不对占方程进行求解的，直接按式 ( 4 3 7 ) 确定p 节点的占。 4 7 本章小结 在本章中，主要讨论了适用于等离子点火器三维反应流场数值模拟的数 值计算方法。介绍了数值模拟计算的主要流程；计算区域的离散化采用曲线 坐标系下的贴体网格；对基本方程进行了离散化；反应流进行数值模拟时， 压力速度耦合采用了s i m p l e c 算法；规定了等离子点火器三维反应流数值 模拟的定解条件；对壁面处理采用了壁面函数法，保证了数值计算适应性。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第5 章等离子点火器燃烧流场模拟结果分析 燃气轮机燃烧室的点火是启动过程中的一个重要问题。通过它，可以向 燃烧室输入一定的能量，直接把主燃料炬点燃，或者使少量的启动燃料首先 点着，形成点火火炬，然后依靠它，再去点燃整个燃烧室主燃料炬。等离子 点火器是一种新型的点火设备，它的工作状况将直接影响到燃烧室的可靠性 点燃和燃烧的稳定组织发生，因而需要详细研究等离子点火器内部湍流燃烧 流场。传统上对于像这样的燃烧设备设计方法主要依靠试验，但这些试验需 要反复多次改型而且试验工作周期较长，经济代价很高。并且由于测量手段 的限制，对于等离子点火器的内部尺寸比较小的情况，其内部许多参数( 如温 度、速度、浓度分布等) 都不易测量。因此无法获得这些重要的参数，这给点 火器的结构设计带来很多不便。近来由于计算流体力学和计算燃烧学的长足 发展，人们在研究燃烧流场时逐渐采用数值模拟来代替一部分实验研究，并 取得了较好的效果。并且数值模拟费用低、周期短，而且结果较准确、全面。 因此采用数值模拟的方法对等离子点火器进行设计指导，有利于提高设备工 作的可靠性和经济性。 5 1 燃料燃烧基本理论 燃料在燃烧过程中所需氧气，一般由空气提供。空气中含o ，的体积分数 ，为0 2 1 ，含n 2 的体积分数n ，为0 7 9 。也就是说，空气中有i m o l 0 2 就有 3 7 6 m o in ，而它在燃烧过程中是不参加反应的。 以碳氢燃料和空气为例，化学反应式可写成如下形式： c ，h ，+ 口( 0 2 + 3 7 6 n 2 ) - - - h x c 0 2 + ( y 2 ) h 2 0 + 3 7 6 a n 2 ( 5 一1 ) 式中a = x + 上 4 化学恰当反应定义为所有的反应物都按化学反应方程规定的比例完全燃 烧的反应。 空气一燃料化学恰当比( 空一燃比) 定义为化学恰当反应时消耗的空气一 燃料质量比，其数值等于i k g 燃料燃烧时所需的空气质量。它可用下式表示： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( a f ) 。= ( 监 y f u e l 卜华1 鲁f ( 5 - 2 ) 朋， 式中，鸠m ，分别表示空气和燃料的相对分子质量。， 当量比。常用来定量地表示燃料和氧化剂的混合物的配比情况。它定义 如下： m ：鲣：生( 5 _ 3 ) ( a f ) ( f a ) 。 由( 5 3 ) 式可见：对于富燃料混合物，西 l ；对于贫燃料混合物，m 1 ； 对于化学恰当比混合物，o = l 。当量比m 是决定燃烧系统性能最重要的参数 之一。其他常用的参数还有空气过量系数，或称为余量系数口，它与中互为 倒数，即 ：旦：一i(5-4)t2h c a f ) 。 5 2 等离子点火器几何模型及边界条件 图5 1 等离子点火器结构示意图 根据等离子点火器的工作原理和工作环境给出等离子点火器简化的计算 物理几何模型如图5 1 所示，该模型的特点是：三维轴对称模型，其结构包 括空气入口、等效加热区、燃料进口、出口等几个部分。 图5 2 给出了等离子点火器的结构尺寸。由于其尺寸小，所以要进行测 量很困难，并且测量的准确度很差，所以我们将采用非预混燃烧模型对这一 3 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 复杂的化学过程进行数值模拟。 由于等离子电弧机理的复杂性，将其简化为一等效加热区，在等效加热 区即为等离子发生区，在这里由进口的空气流将在高温的作用下产生等离子 空气流，当空气等离子流与燃料流相遇就将发生燃烧及裂解的化学反应。 燃料进口 图5 2 等离子点火器对称剖面图 本论文在对等离子点火器进行数值模拟过程中所选燃料为庚烷，其化学 式为c ，h 。氧化剂为空气中的o ：，在选定空气时只考虑空气中的n ：和o ：， 分别占7 9 、2 l ，不计微量成分。 本文旨在得到空气过量系数及不同化学组分对等离子点火器出口点火能 量的影响情况。其各工况的具体组分如下： 1 ) c 7 h 1 6 、c h 4 、c 、c ( s ) 、c o 、c 0 2 、h 2 0 、h 2 0 ( 1 ) 、h 2 、h 、 o 、o ，、o h 、n 及n ，共十五种成分； 2 ) c 7 h 1 6 、c h 4 、c 、c ( s ) 、c o 、c 0 2 、h 2 0 、h 2 0 ( 1 ) 、h 2 、h 、 o 、0 2 、o h 、n 、n ，及c h ，o h 共十六种成分； 3 ) c 7 h 1 6 、c h 4 、c 、c ( s ) 、c o 、c 0 2 、h 2 0 、h 2 0 ( 1 ) 、h 2 、h 、 0 、o ，、o h 、n 、n ，及c h 2 0 共十六种成分； 4 ) c 7 h 1 6 、c h 4 、c 、c ( s ) 、c o 、c 0 2 、h 2 0 、h 2 0 ( b 、h 2 、h 、 o 、0 2 、o h 、n 、n 2 、c h ，o h 及c h 2 0 共十七种成分。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 由于等离子内部实际燃烧流场是富燃料状态，空气过量系数口 1 。在对 等离子点火器进行数值模拟时为了得到出口点火能量随口的变化情况，本文 分两种情况改变空气过量系数的值，进而求得不同口下的点火器出口点火能 量。其具体进口边界条件和空气过量系数将在后文详细给出。 5 3 数值模拟结果及分析 5 3 1 组分为十五种时出口点火能量的情况 5 3 ，1 1 对称面上各参数分布 对于计算得出的数值模拟结果，本文仅给出燃料进口质量流量为 7 2 x 1 0 1 5 k g s 且空气过量系数口= o 1 3 时对称面上的温度及速度矢量分布图。 对于等离子点火器内部湍流燃烧流场对称面上其它各参数分布情况在文献 【1 3 l 及文献 1 4 l 等中都有详细的介绍，故这里不再进行介绍。 1 ) 对称面上温度分布 图5 3 对称面上温度分布( k ) 2 ) 对称面上速度矢量分布 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图5 4 对称面上速度矢量图( m s ) 图5 3 是对称面上的温度分布情况。从图上可以看出，流域内的最高温 度出现在等效加热区附近，这样可以避免高温对设备的灼烧，其温度大约在 3 1 5 8 k 左右。这是因为等效加热区的热流密度集中而造成的，此处的单位体 积热流密度为8 e + 0 9 j m 3 。 图5 4 给出了口= o 1 3 时的对称面上速度矢量分布，由图中可以看出在空 气与燃料混合的过程中存在很大的回流区域，这样有利于燃料和空气充分混 合，更有利于燃烧较稳定地进行。且由计算结果可知：回流区域几乎不随口值 的变化而改变，都有较明显的回流。 5 3 1 2 出口面上各参数分布 等离子点火器的出口参数的特性将直接关系到燃气轮机点火的质量，进 而影响整机的工作性能。下面将讨论出口面的重要参数分布情况，各图也是 在燃料进口质量流量为7 2 x 1 0 巧k g s 且空气过量系数口= o 1 3 情况下给出的。 1 ) 出口面温度分布 从图5 5 中可看出，出口面上温度分布是比较均匀的，温度在径向上成 逐渐增大的趋势，高温区出现在近壁面处，低温区出现在中心处。 4 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 ) 出口面速度分布 图5 5 出口面温度分布( k ) 图5 6 出口面速度分稚( m s ) 由图5 6 中可知，其速度梯度从出口面上的中心处沿径向递减，中心速 度最高，出口面平均速度大约为5 m s 。 4 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 ) 出口面的内能分布 从图5 7 可知，出1 2 1 面上的内能分布情况与温度分布呈一致性，温度高 的区域其能量也高。从能量与温度之间的关系，可以知道这一点。通过对出 口面上的能量平均可得出：出口面上的单位质量的内能平均值为8 5 2 2 4 2 j k g 。 图5 7 出口面能量分布( j k g ) 5 3 1 3 等离子点火器出口处点火能量的计算 点火能量是对点火系统性能要求的一个重要指标，点火系统必须保证提 供给发动机足够的能量以点燃不同工况下发动机燃烧室内的可燃混合气：点 火能量过低，发动机的功率下降，油耗上升；点火能量过高会产生不必要的 能量浪费，同时降低点火系统的寿命。目前高能点火系统的能量设计往往采 用经验、试验的方法，这样需要反复调整修改，设计周期长，成本较高，不 利于做到点火系统各参数的最佳匹配。为了提高点火系统设计的科学性与合 理性，提高设计效率，做到点火系统的合理匹配，所以对等离子点火器进行 数值模拟计算，以此来指导等离子点火器的设计工作。 本文所计算的等离子点火器出口的点火能量主要是指点火器出口面的总 能量。点火器出口面的总能量包含有内能和出口气体的化学能p 一。出口气体 的化学能是指未燃烧完的c o 、h 、c h 4 等所释放的燃烧热口0 】。要计算总能 哈尔滨工程大学硕士学位论文 量首先要知道未燃完各气体的质量百分含量，出口气体流速及出口质量流量 等参数。点火器出口处内能、流速、温度及质量流量等参数由f l u e n t 计算 可直接查得，但未燃完成分的燃烧热需要查相关资料计算求得。 5 3 1 4 空气过量系数对出口面点火能量的影响 本文在对等离子点火器进行数值模拟计算过程中，分两种情况来改变空 气过量系数，以此来获得空气过量系数对出口面点火能量的影响。 1 定燃料质量流量，通过改变空气进口质量流量来改变空气过量系数 对定燃料质量流量情况下对等离子点火器进行模拟计算，其具体的边界 条件如表5 1 所示。 表5 1 定燃料边界情况下的边界条件 计算工况 边界名称参数及单位 1234 质量流量 o 5 8 xj o 0 8 8 1 0 4i 1 7 x l 矿 1 4 6 x1 0 4 空气进口 k e , s 温度k 6 0 1 06 0 06 0 0 6 0 0 质量流量 7 , 2 x1 0 5 7 2 x1 0 57 2 x1 0 57 2 1 0 5 燃料进口 k g s 温度k 3 0 0 3 0 03 0 03 0 0 压力p a 1 0 1 3 2 5 1 0 1 3 2 51 0 1 3 2 51 0 1 3 2 5 压力出口 温度k3 0 03 0 03 0 03 0 0 加热区功率w8 08 08 08 0 空气过量系数t 2 o 0 5o 0 8 o 1 lo 1 3 对数值模拟结果进行分析，得到关于出口面上的各参数随空气过量系数 的变化情况，其具体描述如下： 1 ) 出口质量流量随口的变化趋势 图5 8 给出了等离子点火器出口质量流量随空气过量系数t 2 的变化曲线。 4 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 由图中可以看出出口质量流量随着c t 的增加而增大，这主要是由于在燃料质 z6 j2 互1 5 删 蜷1 棚 訾0 5 田 0 n0 6 0 n l l0 1 3 空气过置系数 图5 8 出口面质量流量随口的变化