（工程热物理专业论文）湿空气扩散火焰的实验和数值研究.pdf

摘要 摘要 湿空气燃烧作为h a t 、i g c c 以及i g h a t 等先进热力循环中的关键过程之， 其性能的优劣直接关系到热力循环系统的性能。因此本文针对构建循环的需要，对天 然气和煤气化合成气在湿空气中的扩散燃烧进行了实验和数值研究，目的是更清晰、 深入地理解湿空气燃烧的概念，从而对燃气轮机的湿空气燃烧操作和湿空气燃烧室的 设计提供帮助。 首先研究了空气加湿对于火焰形态、尺寸和颜色的影响。通过实验研究发现，在 加湿的同时增加燃料量，从而保持燃烧室出口温度相同的情况下，天然气火焰的尺寸 随空气湿度的增加会大幅增加。而对于合成气火焰，空气加湿对于火焰尺寸的影响不 明显。通过理论分析和数值模拟可以得知，空气加湿后氧浓度和流场的共同作用导致 火焰尺寸改变。根据研究结果提出了改善甲烷一湿空气扩散火焰尺寸过大状况的措 施，通过实验验证了该措施的可行性。 随后对湿空气扩散火焰的稳定性进行了研究。实验结果表明，甲烷一湿空气火焰 的稳定性要比合成气一湿空气火焰差很多。通过分析和计算得出了甲烷火焰稳定性较 差的原因，针对甲烷火焰提出了改善稳定性的措施，并且进行了实验验证。 最后对不同燃料湿空气燃烧的污染物生成和排放特性进行了研究。全尺寸燃烧室 的实验结果表明，空气加湿对于碳氢燃料与合成气火焰污染物排放的影响不同，尤其 是对c o 排放的影响。针对在空气加湿影响c o 排放方面存在的疑问，本文运用对神 扩散火焰从化学机理方面对其进行了计算分析。随后在模型燃烧室中对合成气一湿空 气扩散火焰的c o 排放机理进行了研究，发现c o 排放并非随含空气湿量单调增加， 而是先减后增。数值模拟的结果明确地解释了出现这种趋势的原因。 通过本文的研究，空气加湿影响扩散火焰和燃烧室性能的轮廓基本清晰。 关键词：湿循环，湿空气扩散火焰，火焰尺寸，稳定性，污染物 a b s h 。a c t a b s t r a c t z h a n gz h e - d i a l l ( e n g i n e e 血gt h e 肋o p h y s i c s ) d i r e c t e db yx i a 0 m - h a na i l dw 抽gy u e h 啪i da i rc o m b u s t i o ni sak e yp r o c e s so fm ea d v a n c e d l e 姗o d y n a m i c a lc y c l e ss u c h a sh a t ，i g c ca i l di g h a t ，s oi t s p e r f o n a n c e i sd i r e c t l yr e l a t e dt ot 王1 e s y s t e m p e r f o r m a n c eo ft h em e 皿o d y n a m i c a lc y c l e s t h u s ，a c c o r d i n gt o t h er e q u i r e m e n to f c o n s t m c t i n gt h ec y c l e s ，t l l ed i f m s i o nc o m b u s 石o no fn a t i l r a lg a s 锄ds y n m e s i sg a sf 而m c o a lg a s m c a t i o ni nh 岫i da i rw a ss t i l d i e de x p e r i m e n t a l l ya n dn 啪e r i c a l l y t h ep u r p o s ei s t oa c h i e v em o r ec l e a r 趾dd e e pu n d e r s t 柚m n go nt i l ec o n c e p to fh u m i da i rc o m b u s t i o na n d m e nh e l pm e 叩e r a t i o no nh u m i da i rc o m b u s t i o n 锄dh u m i da i rc o m b u s t o rd e s i g no fg a s n i r b j n e s f i r s to fa l l ，t l l ei n n u e n c eo fh u m i da i ro nn a m es h a p e ，s i z ea n dc o l o rw a ss t u d i e d i t w a sf o u i l di nt h ee x p 鲥m e n t st h ，旺t h es i z eo fn a t i l m lg a sn a m e ss i g l l i f i c a n t l yi n c r e a s e da s t h ea i rb e c a m em o r eh u m i du n d e r l ec o n d i t i o nt i l e 血e 1n o wr a t ew a si n c r e a s e dw h e n i n c r e a s i n ga i rh u m i d i 哆t l l l l st ok e e pm ee x i tt e m p e r a n j r eo ft h ec o m b u s t o rt ob ec o 玎s t a n t w h i l ef o rt t l es y i l t l l e s i sg a sn a m e s ，t h ci n n u e n c eo fa i rh l l l n i d i 够o nn a m es i z ei sn o ts o a p p a r e n t v i at l l e o r c t i c a la n a l y s i s 趾dn u m 砸c a ls i m u l a t i o n ，i th a sb e e nk n o w nm a tt h e c h 柚g eo fn 锄es i z ei si n d u c e db ym ec o m p r e h e l l s i v ei m p a c to f t h ev a r i a t i o no fo x y g e n c o n c e n 打a t i o na n dn o w 丘e l dd u et oa i rh u m i d m c a t i o n o nt h eb a s i so f t h ep r e v i o u ss t u d y ，a m e t l l o df o ri m p r o v i n gt h ec o n d i t i o nt h a tt l l es i z eo fm e t h a n e - h u m i da i rf l a m ei st o ol a r g e w a sp r 叩o s e da 1 1 dt h ef e a s i b i l i t yo f t h em e t h o dw a sv a l i d a t e db ye x p e r i m e n t s t h e nm es t a b i l i 哆o fd i f f h s i o nn a m e si nh u m i da i rw a ss t u d i e d t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a tt h es t a b i l i t yo fm e t h a n e h u m i da i rf l a m e si sm u c hp o o rt h a nt h a to f s y n t h e s i sg a s - h u m i da i rn a l i l e s t h er c s o no fm ep o o rs t a b i l i t yo ft h em e t h a n en a m e sw a s k n o w nv i aa n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o n am e t l l o dt oi m p m v et h es t a b i l i t yo ft h em e t h a n e i i i 穗皤 湿空气扩散火焰的实验桐i 数值研究 n m e sw a sp r 叩o s e da n dv a i i d a c e de x p e d m e n t a l l y f 1 i l a l l y t h ec h a r a c t e r i s t i c so fp o u u t a n tg e n e r a t i o na i l de m i s s i o nf o rt h eb u m l da j r c o m b u s e i o no fd i 低r e n t 岛巾e so f 如e jw e r es t u d j 羽t h ee x p e n m e m a lr e s u l t so fa 向l i - s i z e c o m b u 时o rs h o wt h a tt h ei n n u e c eo fh u 商da 玎o “p 0 1 l u t a i l te m i s s l o ni sd l 雎f e n tf o r h y d m c a r b o nr u e i sa n d8 ”t h e s i sg a s ，e s p e c i a l l y0 nc oe m i s s i o nd i 塘t nt h e r ee x l s t ss o m e d o u b t s 。nt h ei n 门u e n c eo fh 啪i da l ro nc 0e m j s s i o n ，m ep r o c e s sw a sc a l c u l a t 酣a n d a r i a l y z e dc o n s i d e r i n gt h ec h e f i c a lm e c h a n i s mb y1 l s i n g a r io p p o s e dd i f f 岵j 硼n 蛐e s u b s e q u e n t j t i l em e c h 锄i s mo f c oe m i s s i o no f s y “f h e s i 5g a s _ h u m i da l rd i f 如s i o n 们a m e s w a ss n j d i e db yu s i n gam o d e lc o m b u s t o rnw a sf o u n dt h a tt h e0 0e m i s s i0 t ld i dn o t i n c r e a s em o n o t o n l c a l l yw i t ha l rh u m i d i 琦 h o w c v e r ，t h ec 0e m i s s i o nw o u i da c6 r s t d e c r e a s ca n dt h c ni n c r c a s e t h er c s u l t so fn 哪e d c a 【s i m u l a t i o nc l e a r l ye 1 p l a i n c dt h e r e a s o d ( 1 f t h ee x h i h j l i n no f t k sn t n d a 船l h e r s e a r c hw o r ko e 【h cp r e s c n ts m d y ，【h ep r o n l eo f 【h e i n n u e n c eo rh u m da i r o nd l f f u s i o nn a m e sa n dc o m b u s t o r p e r f b 衄a 1 1 c eb e c o m e s b a s l c a i l yc l e a r k e yw o r d 譬：w e lc y c l e ，c o m b u s t i o nw 油h u m i da 记f h m es 1 2 e ，s t a b i l i t y ，e m l s s i o n v l 引言 l引言 1 1 研究背景 随着世界范围内的能源紧缺以及各国对环境保护的重视，2 0 世纪8 0 年代以来， 燃气轮机在世界电力系统中的地位越来越重要。因此很多学者也提出了各种以燃气轮 机为基础的先进透平循环，其中湿空气透平( h a t ) 循环【1 心以其突出的高效率，高 比功，低n 0 ；排放等优点成为种新型的先进发电循环，被誉为跨世纪的热力循环吲， 同时也被列为美国先进透平计划进行研究”。 如图1 1 所示，h a t 循环利用水吸收燃气轮机系统中的低品位余热( 包括中冷器， 图l1 h a t 循环系统图 后冷器和热水器) ，吸收过余热的热水在湿化器中与压缩空气进行逆流相变传热传质 湿空气扩散火焰的实验和数值研究 利用变温蒸发将空气加热加湿，增加了工质的量和焓，因此实现了高效率、高比功和 低n o 。排放1 5 】1 6 】。 另外对于我国来说，常规能源中，煤炭占8 5 以上，水能占1 2 ，石油和天然 气仪占2 v 3 。能源资源条件决定了我国以煤为主的一次能源结构在短期内难以改 变，未来煤炭仍将在整个能源体系巾发挥不可替代的作用。因此把煤气化和h a t 循 环相结合的整体煤气化湿空气透平( i g h a t ) 循环对于我国以及世界上以煤炭为主要 能源的国家就显的十分的适合f 7 】f 1 0 】。 另外整体煤气化联合( 1 g c c ) 循环也是大家所卜分关注的发电循环】- 【”1 。i g c c 循环中由于其燃料一煤基合成气的主要组分是c o 和h 2 ，而且其组分容易随工况的 变化而变化，尤其是其中的h 2 含量的变化对于火焰传播速度的影响非常大，因此对 于合成气来说，不适于采用贫燃料预混( 1 e a n p r e m i x e d ) 燃烧即干式低n o ，( d l n ) 燃烧技术，所以需采用扩散火焰燃烧技术，然而由于合成气绝热火焰温度高，n o 。 捧放量很大。为了降低n o x 排放，合成气一湿空气扩散燃烧也是i g c c 循环中的燃烧 的可选方式。 实现和推广h a t 、i g h a t 以及i g c c 循环可以提高能源的利用效率，同时由于 其燃烧过程是湿空气燃烧，因此也具有相对低的n o ；排放。然而，其有个共同的 关键过程湿空气燃烧。为了使h a t 、i g h a t 以及i g c c 循环能够推广应用，必须攻 克其关键技术之一湿空气燃烧。 1 2 湿空气燃烧的国内外研究现状 1 2 1 湿燃烧的发展历程 水作为燃烧的辅助控制技术最早是在1 7 9 1 年的第一。个燃气轮机原理的专利巾提 出的。当时认为将水喷入燃烧产物中可以保护透平，这也是早期燃气轮机的设计理念 之- 【1 7 】。1 9 世纪中叶，当液体燃料逐渐代替煤时，水蒸汽被用于促进燃料的雾化。 在2 0 世纪初期水蒸汽常常被用于燃料雾化。到2 0 世纪7 0 年代，水蒸汽雾化又被 用于改善大型燃油锅炉的冷启动难的问题。 2 l 引言 然而2 0 世纪6 0 年代以前，燃料掺水被广泛用于内燃机中，用于改善爆震，冷却 以及提高效率等等。直到z e l d o v i c h 等研究了燃烧中氮气生成氮氧化物的机理以及 n o ，和化学光污染之间的关系，k o p a 【叼才提出了一个研究加湿燃烧的新动机：加湿 降n 0 ，排放。因此在2 0 世纪7 0 年代研究人员针对这个概念，在柴油机【2 0 l 【2 ”、汽油 图12n o 。减排历史，引自文献【3 9 机【2 8 】、燃气轮机0 9 l - 【”1 以及锅炉等外燃式设备上对加湿降低n o x 进行了广泛研究。 从图1 2 巾可以看出利用湿燃烧技术降低n o 。排放的效果以及发展历程。然而在这些 研究中只是提出了一些在已有系统上的改造方案，而没有能针对加湿燃烧的特点设计 新系统。 2 0 世纪8 0 年代相继提出注蒸汽( s t i g ) 循环和湿空气透平( h a t ) 循环，加湿 燃烧又具有了新的很重要的功能：新型热力循环的需要。 1 2 2 湿空气燃烧的研究现状 m i y a c h i 等f ”】用实验和数值模拟的方法研究了甲烷一湿空气预混平面火焰巾水蒸 汽对n o 。生成的化学作用。通过调节空气和甲烷的预热温度，保持不同加湿嚣卜的 最高火焰温度相同，排除温度对n o 。牛成的影响，研究n o 。牛成过程中水蒸汽的化 学作用。他们的实验和数值研究的结果都表明即使在相同最高火焰温度下，湿空气燃 烧巾的n o 。仍然有所下降，但是并没有从机理上给出解释。 湿空气扩散火焰的实验和数值研究 z h a o 等运用详细化学反应机理对甲烷一湿空气对冲扩散火焰进行了数值研 究，丰要研究湿空气燃烧巾o h 基对于对冲扩散火焰中的快速型n o x 的影响，计算 结果显示o h 浓度主要受温度的影响，在空气和燃料的温度不变时，空气加湿使得火 焰的温度降低，因此o h 的浓度也相应降低，在保证相同最高火焰温度下加湿使得 n 2 m o l ep f d d u c “o n 蛆协o te k 帕烈i 置a f yo e a c “叽x 1 俨【k m o i ，i s ： 一川3 5 一d 撕，- n 7 0 7 叫4 4 一 图1 3 对冲扩散火焰中n o 的生成路径【4 1 图中的括号内的数字为g r j 机理中的反应序号 o h 的浓度增加。因此相同最高火焰温度下，加湿使得o h 的浓度增加，尽管o h 的 增加使得热n o 、的生成有所增加；但同时加湿导致了c h 浓度的下降，进而使得h c n 和n 摹的浓度大大降低，因此如图1 3 所示，通过反应1 8 0 的快速n o 。的生成大大 降低，所以相同火焰温度下，水蒸汽使得总体的n o 。生成降低。其研究的适用范嘲 为火焰面中，对于燃烧室的总体n o ，的排放，还需考虑焰后区的n 0 、牛- 成。 m e y e r 等【4 2 1 在m a l at i 燃气轮机上进行了注蒸汽降n o x 的实验，其中选择了 将蒸汽注入气体燃料巾和空气中两种形式，实验结果显示达到相同的n o 。排放指标， 燃料加湿要比空气加湿需要的蒸汽量少，但c 0 排放确要比空气加湿工况下大很多。 原因 要是燃料加湿使得燃料的出口速度大大增加，导致火焰不稳定，燃烧不完全。 但是若燃料为柴油时，在燃料中注蒸汽，n o 。和c o 都有所降低，这丰要原因正如前 文巾捉到的是由于水蒸汽有助于柴油的雾化，使得燃烧更完全。 4 l 引言 d a y 等4 3 1 运用实验和数值模拟的方法研究了甲烷湿空气预混火焰中加湿对于 n o x 排放的影响。结果表明空气加湿使得n o 。排放减少，而c 0 排放并没有明显增加。 b h a r g a v a 等】在模型燃烧室中对于甲烷一湿空气预混火焰的排放特性进行了研 究，同时还建立了良搅拌反应器网络( p s rn e m o r k ) 模型用于模拟模型燃烧室中的 预混火焰中n o x 和c o 的排放特性，并分析了n 0 ，的生成路径。和实验结果的比较 显示，计算模型对于n o 。的模拟和实验值符合的非常好，而对于c o 的模拟结果要比 实验结果高约5 0 。实验结果表明含湿量增加时火焰的稳定极限向高燃料系数的方向 偏移，绝热火焰温度降低，n q 和c o 的排放下降。当在绝热火焰温度相同时，湿空 气中的水蒸汽使得反应区中o 原于浓度降低，因而n o 。的排放仍然有所降低。在含 湿量为1 5 且保持和干空气时相同的绝热火焰温度时，n o 。的排放降低3 8 倍，而 且n 魄的主要生成方式仍然是热n o x 。而相同绝热火焰温度下，c o 的排放受含湿量 的变化的影响不明显。 h e m a n n 等h 5 1 在改造的v o l v o v t 4 0 燃烧室上对甲烷一湿空气预混燃烧进行了研 究，在低空气流量和高的空气进口温度的情况下，空气含湿量为最高可以达到3 3 ， 1 5 口 尝 锄 盏1 0 8 舀 5 击 图1 4 由测量的c o 和n o 。值所定义的运行窗口【4 5 其中n 为含湿量，为燃料系数，横线代表运行范围 因此降低空气流量和增加空气进口温度有利于高含湿量下火焰的稳定。实验结果表明 营誊6 背 湿空气扩散火焰的实验和数值研究 除了在很高的含湿量下，c o 的排放都很低。加湿可以使得n o 。的排放大大降低，但 是对于预混火焰，要是考虑到c o 的排放不能太高，这时n o ，的排放的降低就会大打 折扣。另外实验中也得出了和文献 4 4 】相同的结论，随着含湿量的增加，稳定极限向 高燃料系数方向偏移，而且运行范围会大大变宽( 图l4 ) 。 b i a n c o 等4 6 j 用f l u e n t 对模型燃烧室中的甲烷一湿空气预混火焰进行了c f d 数值 模拟，含湿量为o o 。计算结果显示在相同空燃比下，n o 。和c o 都随含湿量的增 图l5 文献 4 3 【4 4 】【4 6 】中所用到的模型湿空气预混燃烧室 加而降低。作者认为加湿降低了火焰温度，因此使得c o 更利于牛成c o ：，侗解释有 些牵强。 c h e n 等【4 7 】在模型燃烧室( 如图i 5 ) 中研究了柴油一湿空气部分预混燃烧的n o 。 排放特性，结果表明，随着空气含湿量的增加，火焰的稳定范闱向高燃料系数方向偏 移，j n 湿使得当含湿量为1 0 时，n o 。排放仪为相同绝热火焰温度下的千空气工况 的1 0 。其巾n 0 。降低的机理与b h a 唱a v a 等【“】描述的相同。然而相同绝热火焰温皮 6 l 引言 下c o 的排放对空气加湿的影响不敏感。 b e l o k o n 等h 8 1 在模型燃烧室中对于甲烷一湿空气扩散火焰的n 0 。排放及燃烧效率 进行了实验研究，实验结果表明，n o 。随含湿量的增加而显著下降，而c o 则相反， 由于c o 和未燃碳氢化合物( u h c ) 随含湿量的增加而增加，因此燃烧效率下降，在 含湿量达到7 时，燃烧效率就开始明显恶化。 国内上海交大建立了甲烷一湿空气扩散燃烧实验台5 并运用p 测量了空气加 湿对流场的影响5 ”，认为空气加湿使得火焰的稳定性变差。同时还对湿空气模型燃烧 室进行了数值模拟，认为随着湿度的增加，燃烧区的温度以及0 原子浓度降低，导 致n o 浓度显著降低吲。 综上所述，国内外的学者对湿空气燃烧进行了一一系列的研究。火焰类型有扩散火 焰和预混火焰；燃料大部分是天然气，也有合成气和柴油；含湿量最高到3 3 ：研 究方法包括数值模拟，模型燃烧室以及全尺寸燃烧室的实验。研究内容主要涉及到污 染物的排放，尤其是n o x 的排放的研究居多，也包括c o 排放和预混火焰的稳定极限。 研究得出的主要结论包括：( 1 ) 空气加湿使得n o 。的排放大大降低，即便在相同火 焰温度下，h 2 0 也通过化学作用降低快速n o 。的排放。( 2 ) 对于预混火焰，加湿使 得火焰的稳定极限向高燃料系数方向偏移。 ( 3 ) 但是对于加湿对于c o 排放的影响 没有形成一个统一明确的结论。 1 2 3当前研究中存在的问题和不足 当前对于湿空气燃烧的研究丰要是两个方面：通过对冲火焰研究空气加湿对于 n o 。排放机理的影响，通过模型燃烧室的测试r 解污染物的排放特性。没有系统的考 虑湿空气燃烧室的改造和设计中所遇到的问题，主要考虑了污染物的排放。而加瀑对 火焰的总体特征，扩散火焰的稳定性，合成气一湿空气扩散火焰以及c o 排放的机钾 的影响的研究较少。研究中整体测试居多，火焰结构研究很少；没能提出适合空气加 湿的改造方案或者设计新燃烧室的方案。 l _ 3 本文的主要研究内容 7 湿空气扩散火焰的实验和数值研究 本文针对于h a t 以及i g i 王a t 循环背景，所涉及的湿空气燃烧是指燃料一湿空 气扩散燃烧。湿空气燃烧指的是燃烧中的氧化剂是以充分混合的湿空气的形式进入燃 烧室与燃料进行燃烧。由于h a t 循环本身的特点，湿空气燃烧中的根部流场和氧浓 度发生很大的变化，对火焰的稳定性影响很大，甚至在含湿量高的情况下无法进行燃 烧。因此本文运用实验和模拟的方法，针对于h a t 等循环燃烧室改造和设计有重要 意义的方面进行了研究。本文的主要内容如下： 1 空气加湿对火焰总体特征的影响，研究空气加湿对于扩散火焰的火焰尺寸 和火焰颜色的变红，从而为湿空气燃烧室的尺寸设计提供些依据。 2 ，空气加湿对火焰稳定性的影响，研究空气加湿对于火焰的稀态熄火极限的 影响，通过计算分析提出相应的改善措施，并进行了实验验证。 3 空气加湿对污染物排放的影响，系统的研究了空气加湿对于不同燃料，不 通实验规模下的n o x 和c o 的排放的影响。 4 对湿空气燃烧室喷嘴的设计提出了一点建议。 2 实验台系统和数值模型 2 实验台系统和数值模型 2 1 概述 为了使得后面各章的内容更加连贯，本章对本文研究巾所用到的通用的实验系 统、测试手段和数值模拟工具进行集中介绍。在以后各章只对该章特殊的条件进行说 明。本章主要分几个方面：首先是模型燃烧室实验系统，其主要用于对湿空气扩散火 焰进行机理性研究：其次是中压全尺寸燃烧室，其主要用于发现湿燃烧巾的问题以及 对于模型燃烧室中得出的结论进行验证；最后介绍本文计算和分析中用到的数值模 犁。 2 2 模型燃烧室实验系统 图2 1 实验台系统图 9 湿空气扩散火焰的实验和数值研究 表2 1 实验台系统参数 ( s l m )甲烷q 5 蒸汽量( k g 伽 1 2 5 含湿量5 0 空气预热温度( ) 2 5 0 图2 2 燃烧实验台系统现场照片 模型燃烧实验台系统如图2 1 所示，燃料由高压气瓶经供轨并联，减压阀减压后 由质量流量控制器调节流量后通入燃烧器的燃料管道：从压缩机来的压缩空气经浮子 1 0 2 实验台系统和数值模型 流量计计量后，进入空气预热器进行预热，随后与由蒸汽发生器产生的水蒸汽混合并 继续预热后进入燃烧器的空气管道。其现场布置见图2 2 。燃烧器的具体结构将在下 节介绍。本燃烧实验台系统的主要参数列于表2 1 。 表2 2 模型合成气的组分和性质 组分 c oh 2n 2 5 0 4 0 l o 特性 垫笪坐丝立兰塑坌王量当量窒冬些 1 3 4 4 9 1 7 62 1 4 2 - 2 1 模型燃烧室 2 2 1 1 模型燃烧室结构 为了研究湿空气燃烧，开发了一个扩散火焰模型燃烧室( 图2 3 ) 。该模型燃烧 室由燃烧器、石英玻璃观察窗和不锈钢燃烧室组成。燃烧器可以建立钝体或旋流稳定 的扩散火焰。当关闭切向空气进气口，空气只从轴向空气口进时，火焰为钝体稳定火 焰。通过调节切向和轴向空气进气量，燃烧器可以建立不同旋流强度的旋流扩散火焰。 燃烧器的喷嘴可以根据不同的燃料和工况更换不同燃料出口直径的喷嘴。通过石英玻 璃窗可以观察和拍摄火焰的结构和形态，当通过测量孔测量模型燃烧室中的浓度和温 度时，石英玻璃观察窗可以取掉，将不锈钢模型燃烧室直接固定在燃烧器上。这样可 以方便的测量火焰根部的参数。模型燃烧室的直径为1 5 0 m m ，石英玻璃观察窗为 2 0 0 m m 长，不锈钢燃烧室的长度为1 0 0 0 m m 。模型燃烧室中的平均流速约为1 5 “s ， 因此燃气在燃烧室中停留时间约为o 6 7 s ，这个时间相对于工业燃烧室是很长的，因 此出口处的污染物浓度可以认为是充分混合的，可以代表整个模型燃烧室的排放性能 指标。 2 2 1 - 2 旋流数 旋流数是用于表征旋流强度的。个无量纲量。在旋流射流火焰巾，角动量的轴向 通量g ，和轴向动量的轴向通量g 都为守恒量，如式 笪坚竺! 逊坐些塑塞垦塑塑堡翌壅 可7 3 p | ，b ，不锈钢 燃烧室 i苕 由3 4 4 蒯0 量孔 巾2 8 融5 兰刍 燃料 塑鼷 喷嘴、 e _ j 弋习 彭彩钐笏 雪 1 e e 三j 钐黝 j 空气 e 芎 蚕耋 溺 局部放大 、f 7 、 8厢n 篡簇擎 鱼 燃j斗 心 哪 妫因 切向空气 叶薄 。屯 冀薅 斟， 瓜料l q = 兀w ) 2 z 胁 g 。2 娶u 雕撕扒娶啦r 由 图2 3 模型燃烧室结构 1 2 ( 2 1 ) f 2 2 1 2 实验台系统和数值模型 式中“，v 和p 任意半径r 处的轴向和切向速度分量以及静压。旋流数定义为 s ：旦 q 吒 经过调试，本文实验中选取的旋流数为0 8 3 。 ( 2 _ 3 ) 2 2 2 蒸汽发生器 实验系统巾所用的蒸汽发生器的结构见图2 1 和图2 2 中的蒸汽发牛器，其通过 调节电压来调节蒸汽量，通过标定误差小于3 。其主要的优点为蒸汽量稳定，热惯 性小，调节灵活。 2 2 2 1 含湿量 本文中所涉及到的空气含湿量x 定义如下 x = 嚣鞘糕川。一湿空气中的干空气质最。 本实验台系统的空气含湿量可以达到5 0 。 ( 2 4 ) 2 2 3 温度测量 用热电偶测量火焰温度时会遇到以下几个问题：1 ) 辐射误差，由于火焰的温度 很高，热电偶的辐射误差必须进行修正。2 ) 导热误差，在大部分测温场合，只要热 电偶安装合理，其导热误场就可以忽略不计，但是在火焰中由于温度梯度很大，导热 误差有时可以高大4 0 0 度。因此也必须进行修正。热电偶对火焰的影响主要有三个方 面：气动力学的影响、吸热的影响以及化学催化影响。气动力学的影响在有回流区的 流动中尤其重要，但是在马赫数小于o 1 的火焰流动中是可以被忽略的。 针对于测量火焰的特点，本文作者开发了图2 4 所示的直线对焊热电偶，开发了 修正程序，对于导热和辐射误差进行了修正。 湿空气扩散火焰的实验和数值研究 固 定 臂 固 螺 图2 4 直线式对焊热电偶 2 2 4 组分浓度测量 实验中模型燃烧室中的不同截面上以及出口的组分浓度由采样探针采样，然后由 电化学烟气分析仪进行分析。分析的组分包括o ：，c o ，c 0 2 ，n o 以及n 0 2 。 2 ，2 4 1 采样探针 气体的采样必须解决的基本问题是要得到能够代表采样点上流体成份的样品。理 想的采样技术应该保证在最接近采样点的地方将气体取出，而气体成份之间不会产生 进一步的化学反应。但实际的采样过程往往于理想情况相差很远。显然，采样时要将 采样管置于流场中，并且必须采取合适的冷却方法冷却采样管中的气体，以便使反应 骤冷。这两点要求是取样过程中产生误差的主要原因【5 5 】。 当探针在火焰中取样时，气流包含着尚在进行化学反应的物质，这时在取样管内 就有继续反应的可能性。为了使得样品成分可以反应取样点处的流体的成分，取样管 应能防止任何可能反应的出现，并应能中止正在发生的任何反麻。这种过程叫做“骤 冷”。 理想的反廊骡冷是通过将反应速率瞬时降低到零而取得的。但实际j ：，反麻速率 1 4 只是在一个较短的时间内降低到一个较低的值。 一级反应的反应速度为n ，由下式表示 ：一三掣：p ( 嚣) 。【a 】 日出 1 ( 2 5 ) 式巾【a 】表示组分a 的浓度。由上式可知，只有改变浓度或温度才能降低反廊速 度。在实际中，有以下几种方法已被采用：对流冷却、用惰性液体冲淡以及膨胀。不 管采用那种方法，骤冷效率主要取决于降低反应速度的速率。 对流骤冷巾，气流用强迫对流来冷却。由于气体密度、粘度和热导率的变化以及 可能发生化学反应，因此要确定以时间为函数的真实气体温度变化几乎是不可能的a 然而，对骤冷效率值的大致范围是可以估算的。事实上只要设一适度的对流换热系数 平均值，就能计算出管路单位长度的热交换系数u 。 假设壁温为常数，则以等速k 随气流移动的质点的温度变化应为： f f 1 r = 正+ ( 瓦一z ) 小刮 ( 2 6 ) 式中： ， 气体温度 n ，分别为壁温与初始气体温度 c q 某个质点达到给定点温度所需的时问 比热 质量流量 这利t 计算方法适用于任何按经验设计的取样箭。如果略去由于化学反府所造成的 温度的变化，利用上面的关系式则有可能求出极限骤冷效率。 本文巾针对于采样过程巾的上述特点，研制了图2 5 所示的水冷式采样探针。为 1 5 “ 豫j 湿空气扩散火焰的实验和数值研究 了尽量避免探针对于流场的扰动，采用了1 5 呦的陶瓷管作为探针的取样管。为了 使得反应骤冷，采用了水冷式的对流骤冷，由于探针需要插入火焰中，因此采用了 个三层壁结构的循环水冷却方式。由于本文的研究对象中没有大分子碳氯化合物，因 此不存在冷凝水影响污染物组分的问题，所以直接采用室温的纯净水作为冷却水。 2 2 4 2 组分浓度指标 图2 5 水冷采样探针 燃气轮机的污染物的测量巾经常用的指标是将所测的组分浓度值转换到干基、相 同氧浓度( 例如1 5 氧浓度) 下的组分浓度值。这样只要测得所关心的组分的浓度 和氧的浓度，就可以折算到这个指标下。以c o 为例的折算公式如式( 2 7 ) 所示。 唧k 。= 盟罱篙竺划 ( 2 7 ) 另外个发动机的测试中常用的指标一排放指数( e m i s s i o n i n d e x ) ，近来被用 作湿燃烧的污染物指标，其定义为单位燃料的污染物排放量。本文在分析对冲火焰r 1 1 的污染物排放时采用了这个指标。 其实上述两个指标是统的，因为氧的浓度其实是反应了燃料的消耗量的，因此 用标准氧浓度和单位燃料下的污染物浓度是等效的。 1 6 2 实验台系统和数值模型 23 全尺寸燃烧室 23 1 实验系统 工程热物理所在怀柔实验基地建立了燃气轮机全尺寸燃烧室实验台。燃烧室的几 何结构为筒形，内部装有火焰筒，燃烧室壁面与火焰筒之间为二股通道，其横截面积 沿轴向略有变化。火焰筒的长度为7 2 8m m ，直径为2 7 6 m m 。实验台运行参数空气流 量2 k s ，燃烧室入口压力0 2m p a 。 箭 图2 6 全尺寸燃烧室系统圈 燃烧实验台系统如图26 所示。压气机供给的压缩空气在回热器和电加热器中被 加热，温度可以在1 0 0 4 0 0 之问调节。软水在燃烧室上游经过雾化直接喷入热空气 巾形成湿空气，电加热器利用其自动调温装置调节热空气的温度，确保软水完全汽化 形成湿空气，并h 当加湿量变化时湿空气恒定保持在1 5 0 。燃气降温装置把燃气温 度降到5 0 0 芹右，保障燃气所经过的管道、回热器及其它设备的运行安全。燃气在 回热器中放热后由消声塔放空，另外压气机的多余气量也由消声塔放守。图26 为全 7 湿空气扩散火焰的实验和数值研究 尺寸实验台现场照片。 图2 7 全尺寸燃烧宣实验台照片 2 3 2 测量系统 燃烧室出口扇形环面上布置了气冷1 5 点摆动s 型热电偶，用来测量燃烧室出口 燃气温度场。燃气采样系统由除湿器、带加热装置的样气管线、燃气分析仪构成。样 本气体在除湿器内简单的除湿后( 除湿目的是减少过多的凝结水，保证分析仪运行安 全) ，流经伴热管线进入分析仪，伴热管线恒温保持在1 8 0 ，g a s m e t f t i r 型分 析仪可以得到n o ，、c 0 、u h c 、c 0 2 及0 2 等结果。火焰筒壁面上布置了5 0 支k 型 热电偶，用来监测火焰筒的壁面温度。一支k u l i t c 动态压力传感器布置在火焰筒的联 焰管处，用来测量燃烧室内的压力振荡，监测燃烧过程的稳定性。燃烧室内压力振荡 的特征频率。般在几r 至二三百赫兹的范围内，而此动态压力传感器的频响在 1 0 0 k h z 以上，能够满足测量的需要。 2 4 数值模拟方法 2 4 1 一维模型 2 实验台系统和数值模型 本文采用的一维模型为对冲扩散火焰，由于其流场可以简化为。维，计算量小， 因此可以用于研究详细化学反应机理，因此本文采用对冲扩散火焰模型应用详细反应 机理研究了加湿对于污染物的影响。用c 髓m i n 软件进行求解。 2 - 4 1 1 物理模型 本文所研究的对冲扩散火焰的物理模型如图2 8 。两个对置的直径无限大的圆形 喷嘴以x 轴为轴线，燃料喷嘴在x = o 处，空气喷嘴在x = 三处，燃料和空气喷嘴的出 口流速分布均匀，分别为“删和i d ，流动滞止面的位置有燃料流和空气流的动量 平衡确定。平面扩散火焰建立在滞止面附近，根据化学当量比，甲烷燃烧所需要的空 气远大于其本身的质量，因此火焰比滞止面更靠近空气喷嘴。流场的宏观拉伸率为 ( 。l + “0 x j d 皿，本文研究中选取“l = i f l i i l s ，l = o 0 2 m ，因此火焰拉伸率约为 1 0 0 s 。燃料和空气的预热温度相等，研究的范围为：3 0 0 1 0 0 0 k 。本文运用此物理 模型对燃烧室中火焰锋面内c o 的生成机理进行了研究。 图2 8 对冲扩散火焰物理模型 1 9 堡皇塑坐丝塑窒竺塑茎堕堑塑 2 4 1 2 控制方程 稳态的柱坐标下的连续性方程如式( 2 8 ) 所示： 丢( 朋) + 昙( 缈) = o ( 2 t 8 ) 假设v r ，p ，“，l 和都只是z 的函数，流动由三维变为，椎，使得流 动方程大大简化，因而可以加入详细化学反应机理。定义： g ( 砷= 一譬f o ) = 譬 ( 2 9 ) r 、 、， 带入上面的方程，连续性方程变为： g ( x ) ：掣 出 动量方程： 睾z 丢+ 等+ 球躬) = 。 r 西 出lp 。p 凼i 矗ipjl 一” 能量方程： ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 罢一毒丢( 警) + 昙莩k 罢+ 毒；魄红= 。 c z ，z ， 组份方程： 警+ 丢( 蹦k ) 一呶= 。，足 扩散速率由混合物平均形式给出 k 一击警一。器专罢 ( 21 3 1 f 2 1 4 1 ! 壅壁鱼墨丝塑墼堡竖型一 舯_ ( 1 一k 赡毒，槲删哟混合物平均扩散系数两元 平均扩散系数和热扩散系数。 边界条件 x = o = f = 学；g = o ；丁= 砟；倒k + p k k = ( 彤k ) ， x 吐f = 竽；g = 咿；k + 成k = ( k ) 。 2 4 1 3 化学反应模型 所有的化学方程式可以写成以下通用的表示方式 ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 其中航表示第个组分，u 。和u ”。分别表示第七个组分在第f 个化学反应中的 正向和逆向平衡常数。 组分的摩尔生成率 也= 拟圳。，阔科。一“烈甜 ( 2 1 8 ) 其中形和分别为平均摩尔质量和女组分的摩尔质量。假设正向反应速率常数 符合阿列纽斯( a n h e n i u s ) 温度关系 d = 妒4 p ( 一7 吒7 逆反麻速率常数如等于正反应速率常数除以平衡常数：t ，= 乏。 2 4 1 4 计算分析方法 2 1 ( 2 1 9 ) 航 u 。h z ，“ u 。m 一望窒墨芏墼坐丝塑塞塾型墼笪婴窒 计算中方程中的扩散项采用二阶中心差分格式；为了使得计算可以在粗网格上收 敛，对流项采用了一阶迎风格式。 为了分析方便，定义单位火焰面上的摩尔生成率坛和单位燃料质量的生成率 ( p m d u c t i o nm d e x ) ： m ? = ? 出 g f t 耐s 、 p i = m 0 卜m c h 、 g fg c h 4 ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) 传统的污染物比较标准是在干基相同氧浓度的情况下，但是由于加湿燃烧中氧浓 度较低，在相同氧浓度下比较就不太合理。因此本文中分析c o 的标准用排放指数 ( e m i s s i o ni n d e x ) e ，c d ( p ，) 。 2 4 2 二维模型 本文中采用商业软件f l u e n t 对模型燃烧室进行了二维模拟，其中燃烧模型为 f l a n l e l e t 模型和组分p d f 输运模型。下面对二维模型进行详细介绍。 2 4 2 1 控制方程 描述流动过程的控制方程一质量守恒、动量守恒如方程( 2 2 2 ) 和( 2 2 3 ) 所示 害+ v ( 朋= o 昙( p d ) + v - ( 印d ) = 一即+ v ( 动 其巾亍= ( v d + v 6 7 ) 一姜v d ， j 状态方程为理想气体状态方程( 2 2 4 ) p = 弋厂一 r 丁y 土 。im w 。1 但2 2 1 ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) 2 实验台系统和数值模型 进口处为各向同性湍流，因而采用较为适合的采用豇一占湍流模型5 ”，其中湍动 能女和其耗散率s 由以下输运方程控制： 妄c 肚，+ 苦c 咖扣苦 ( + 箦 考 + q + 嚷一胪一+ s 。 s ， 鲁c 胆，+ 毒c 删，= 毒 ( + 鸶) 考 + q c q + g 。瓯，一c z 。p 譬+ 足s ， 湍流粘性系数由女和求得： ，1 ， 2 p t 2 p l p l 2 4 | 2 2f l a n l e l e t 燃烧模型【删【6 1 】【6 2 1 湍流燃烧的控制方程为反应流n s 方程，其可以精确描述湍流燃烧过程，但是由 于方程非常复杂，现在的计算机资源很难直接求解。种方法是将反应流n s 方程进 行雷诺平均，然后用燃烧模型进行封闭，如e d i j 等模型；另外一币