（动力机械及工程专业论文）燃料裂解气燃烧技术研究.pdf

哈尔滨t 程大学硕士学位论文 摘要 采用化学回热循环的燃气轮机，具有排热损失小、燃机低工况下的燃烧 效率高、对火焰筒的热辐射低以及排气中污染物含量少等诸多优点。但若想 让原本燃烧燃油的燃烧室能高效稳定地改烧化学回热产生的燃料裂解气，就 必须对原来的燃烧室进行改进。本文开展的燃气轮机燃烧室燃料裂解气燃烧 流场数值模拟研究工作对改善燃烧流场品质、指导燃油燃烧室改造设计具有 重要参考价值。 本文用f l u e n t 软件对某型燃气轮机燃烧室的燃烧流场进行了数值模 拟。在数值模拟过程中，采用标准k s 湍流模型、“简单化学反应系统 模 型和“快速化学反应 假设，对控制方程的离散采用上风差分格式，用 s i m p l e 算法进行压力一速度耦合求解。主要工作及结论如下： 1 对于无气膜孔的燃烧室：1 ) 首先进行了燃油燃烧场的数值模拟，然后 对喷嘴进行了改造，并对裂解气燃烧场进行了数值模拟。由模拟结果可知： 随负荷的降低，燃烧效率下降，过量空气系数变大，火焰长度变短；改烧裂 解气后，燃烧室出口的总焓值增加、燃烧效率提高、火焰筒壁面温度降低。2 ) 改变了主燃孔和掺混孔的直径，对相应燃烧场进行了数值模拟，结果表明： 随孔径的减小，燃烧室头部的过量空气系数变大、火焰变短、燃烧室出口温 度场的均匀性变好。 2 对于有气膜孔的燃烧室，进行了裂解气燃烧场的变工况数值模拟，并 与无气膜孔时的相应情况进行了对比分析，可知：有气膜孔时，火焰筒壁面 温度大幅下降，但火焰长度也变长了很多，致使燃烧室出口温度场的均匀性 变差。 3 针对原燃烧室燃烧流场中存在的一些问题，本文尝试了两种火焰筒改 进方案，并进行了相应的数值模拟。根据模拟结果可知：1 ) 将气膜孔下方的 小壁面去掉后火焰筒壁面温度的均匀性变好，但平均温度升高。2 ) 将气膜孔 哈尔滨工程大学硕十学位论文 数目减少一半后，出口温度场的均匀性有了很大提升，同时对火焰筒壁面平 均温度的影响不大。 通过本文系列的数值模拟研究，较为全面地反应了燃料裂解气燃烧场的 性质，从而可以对该燃烧室的结构改进和优化起到重要的指导作用。 关键词：燃气轮机燃烧室：燃料裂解气；数值模拟；燃烧 哈尔滨i ：程火学硕十学位论文 a b s t r a c t c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lg a st u r b i n e ，c h e m i c a l l yr e c u p e r a t e dg a st u r b i n e h a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sl o w e rh e a tl o s s ，h i g h e rc o m b u s t i o ne f f i c i e n c yi n p a r t - l o a dc o n d i t i o n s ，l o w e rt h e r m a lr a d i a t i o na n dl o w e re m i s s i o np o l l u t i o n b u t t h ec o m b u s t i o nc h a m b e rm u s tb er e c o n s t r u c t e do rr e d e s i g n e di no r d e rt om a k ea g a st u r b i n ec o m b u s t i o nc h a m b e rw i t hd i e s e lo i l a sf u e li no r d e rt o b u r n i n g p y r o l y s i sg a se f f i c i e n t l ya n dc l e a n l y t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fp y r o l y s i sg a s s c o m b u s t i o nf l o wf i e l di nt h i sd i s s e r t a t i o nw a sv a l u a b l ei ni m p r o v i n gt h eq u a l i t yo f c o m b u s t i o nf i e l da n dg u i d i n gt h er e c o n s t r u c t i o no ft h ec o m b u s t i o nc h a m b e r t h ec o m b u s t i o nf l o wf i e l d so fac o m b u s t i o nc h a m b e rw e r es i m u l a t e dw i t h f l u e n ts o f t w a r e d u r i n gt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h e 足一st u r b u l e n c em o d e l ， as i n g l ec h e m i s t r yr e a c t i o ns y s t e m ，i n f i n i t e - r a t er e a c t i o n ，u p w i n dd i s c r e t i z a t i o n s c h e m ea n dt h es i m p l ea l g o r i t h mw e r ea p p l i e d t h em a i nw o r ka n dc o n c l u s i o n s o ft h i sd i s s e r t a t i o nw e r ea sf o l l o w s ： 1 f o rt h ec o m b u s t i o nc h a m b e rw i t h o u tf i l mh o l e s ：1 ) t h ec o m b u s t i o nf l o w f i e l d so ff u e lo i lw e r es i m u l a t e d ，t h e nt h en o z z l ew a sr e c o n s t r u c t e d ，a n dt h e c o m b u s t i o nf l o wf i e l d so fp y r o l y s i sg a sw e r es i m u l a t e dt o o t h er e s u l t ss h o w e d t h a ta l o n gw i t ht h er e d u c t i o no ft h el o a d ，t h ec o m b u s t i o ne f f i c i e n c yr e d u c e d ， e x c e s sa i r r a t i oi n c r e a s e d ，t h el e n g t ho ff l a m es h o r t e n e d a f t e rt h ef u e lw a s c h a n g e dt op y r o l y s i sg a s ，t h et o t a le n t h a l p yo ft h ec o m b u s t o r so u t l e ti n c r e a s e d ， t h ec o m b u s t i o ne f f i c i e n c ye n h a n c e d ，t h ea v e r a g et e m p e r a t u r eo ff l a m et u b e r e d u c e d 2 ) t h ed i a m e t e r so fp r i m a r yh o l ea n dd i l u t i o nh o l ew e r ec h a n g e d ，a n d t h ec o r r e s p o n d i n gc o m b u s t i o nf i e l d sw e r es i m u l a t e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a t a l o n gw i t ht h er e d u c t i o no ft h ed i a m e t e r , e x c e s sa i rr a t i oo ft h ec o m b u s t o r s f o r e s i d ei n c r e a s e d ，t h e l e n g t h o ff l a m es h o r t e n e d ，t h ee v e n n e s so fo u t l e t 哈尔滨一l ：程大学硕十学位论文 t e m p e r a t u r ef i e l dw a si m p r o v e d 2 t h ec o m b u s t i o nf l o wf i e l d so ft h ec o m b u s t i o nc h a m b e rw i t hf i l mh o l e s w e r es i m u l a t e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ea v e r a g et e m p e r a t u r eo ff l a m et u b e w a sl o w e rt h a nt h a to ft h ec o m b u s t i o nc h a m b e rw i t h o u tf i l mh o l e s ，b u tt h el e n g t h o f f l a m ew a sl o n g e r s ot h ee v e n n e s so fo u t l e tt e m p e r a t u r ef i e l dw a sw o r s e n 3 i nv i e wo ft h ep r o b l e m si nt h ec o m b u s t i o nf i e l d ，t w om e t h o d so f i m p r o v e m e n t sw e r ep r o p o s e da n dt h ec o r r e s p o n d i n gc o m b u s t i o nf i e l d sw e r e s i m u l a t e d a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o n ，s o m ec o n c l u s i o n sc a nb eg a i n e d 1 ) t h e e v e n n e s so ft h ef l a m et u b e st e m p e r a t u r ew a si m p r o v e dw h e nt h ew a l l sb e l o wt h e f i l mh o l e sw e r er e m o v e d ，b u tt h ea v e r a g e t e m p e r a t u r ew a si n c r e a s e d 2 ) t h e e v e n n e s so fo u t l e tt e m p e r a t u r ef i e l dw a si m p r o v e da f t e ro n eh a l fo ft h et o t a lf i l m h o l e sw e r er e m o v e d ，a n da tt h es a m et i m e ，t h ea v e r a g et e m p e r a t u r eo ff l a m et u b e a c c e p t a b l e b yt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ni n t h i sd i s s e r t a t i o n ，t h e c h a r a c t e r i s t i c so f p y r o l y s i sg a s sc o m b u s t i o nf i e l da r ew e l lk n o w n t h ew o r ko ft h i sd i s s e r t a t i o ni s v a l u a b l ei no p t i m i z i n gt h ec o m b u s t i o nc h a m b e r k e yw o r d s ：g a st u r b i n ec o m b u s t i o nc h a m b e r ；p y r o l y s i sg a s ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ； c o m b u s t i 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、数据和文献等的 引用己在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已经注明 引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己公开发 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) ：夸盈笑 墨期：挪年弓胃p 日 哈尔滨f ：程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 。1 研究的目的及意义 燃气轮机是利用燃料的化学能变为燃气的热能，在经过燃气透平时将热 能转变为机械能的原动机。它体积小、重量轻、单机功率大、运行可靠、机 动性好、振动噪声低、寿命长、维护简单，因而广泛应用于航空、船舶、电 力、铁路、石油和天然气输送等诸多工业领域。僵简单 ! | 毳环燃枫也存在一些 缺点“_ - ：例如总能中超过6 0 的能量都以废热的形式排出，而这然排气的温 度通常在5 0 0 以上，致使循环效率不高；低工况下污染物排放量不能满足 环保要求等。因此各发达国家都在进行多种方案的技术研究，主要包括各种 。先进的循环技术研究、强化燃烧与低排放技术研究等，以求大幅度提高燃帆 的循环效率、改善部分负荷工况的经济性、有效控制污染物的排放量，这是 发展燃气轮机的关键。 化学回热是一种新的先进循环方式，燃气轮机排气所携带的余热被燃料 裂解器和蒸汽发生器所吸收，在蒸汽发生器中，水吸收热量，蒸发变为高参 数的水蒸汽，送入燃料裂解器中与输入的燃料混合。在燃料裂解器中燃料和 水蒸汽的混合物被加热，并发生裂解吸热反应，生成h 2 、c o 、c 0 2 等新物 质。在此过程中，如果转化完全( 这与裂解器的温度、蒸汽的压力以及转化 的时间有关) ，裂解产物释放出的热量会比之前的增加大约3 0 m ”。因此， 燃料和水蒸汽的混合物吸收热量并经过化学反应( 裂解吸热反应) ，与传统 的燃气轮机回热方式相比，有更大的潜在余热利用率。这些裂解后的气态燃 料混合物在进入燃烧室主燃区之前可以与一次空气进彳亍充分预混，有更多的 空气参与燃烧，主燃区范围扩大，燃烧核心区的温度降低，而且其中的氢气 还能起到强化燃烧的作用，提高燃枫低工况下的燃烧效率，诲多研究者叠报 道该循环的热效率可以达到4 7 以上。更重要的一方面是，氢比长链的碳氢 峻尔滨l ：张大学硕十学位论文 ：f i l li i i h ii i ii i i i li ii l li i m if i l li 釜；罱黼 化合物燃料有更好的可燃性，并可以在一个趸低的温度下燃烧，这样就可以 降低n o ，的生成。资料显永，理论上讶以便n o ；的排赦量降低到i p p m 。将 讫学阐热爝于燃气动力循环，与簧统的燃气动力循环榴比，具有以下几方面 的优点阻口 ，l 。撵热损失小。出于离歼透平的燃气在熏整器蠢与燃料一蒸汽赡混合气进 行传热升温，使彳鼹燃气轮机具有排热损失小的优点。 未。流经透平熬工震流量大予流经蕊气枫杰空气黥流量。同辩，蒸汽的热 容大予空气热容，这两个露素使工质在透平中掰 乍嬲功增大。 3 。降低瓣火焰筒的热辐射，还可戳改蛰燃烧室燃瑟潺度场的晶质。 4 注入燃烧室的燃料为气态燃料，可以缀方便地与空气进行掺混燃烧， 蕊且其幸赞氢气还麓怒捌强纯燃魏瀚侔震，提褰燃褪低工况下的燃烧效率。 5 降低了排气对环境的污染。在燃气轮机中n o 。的生成量与燃烧隧的火 烧温发育缀大美系。在诧学霉热燃气转橇中，装瓣嚣熬气态燃料混合物中含 祷大量翁戴，氢魄长链的碳氢化合物燃料宥更好豹掰燃性，并可以在个更 低湿度下燃烧，这样就可以降低n o 。酸生成。另外，从裂鳃器流基并洼入燃 烧室酌混和气中禽有大量的水蒸汽，承蒸汽麴存在 翅可以降低n o 。的生成。 6 设餐相对筵单，燹需蒸汽轮机及其i 矮环系统。 燃烧室是燃气轮祝中的核心部彳牛之一。在整台燃气轮誊凡中，它链于鹾气 瓣与燃气透平之阕，健燃料与愿气执送来熬赢嚣空气在其中进行穰豁熊燃烧 移混合，以求最有效地把蕴藏在燃料中的化学能释放出柬，转化为高温燃气 的热能，借以提离燃气透平前的工质的彳乍功能力。其工律过程舆有高温、高 速、高燃烧热强度、高过囊空气系数、运行参数交能剧烈等一系捌特点。燃 烧室瓣好坏直接影响到燃气轮概的王作性能，豢就可见，燃烧室是燃气轮机 中一个不可缺少酌重要部糌轴”“。 当以燃料裂髂气为燃料进行燃烧黠，燃烧场就会与燃烧燃浊或者天然气 时有所不同。因为燃料裂解气中含有大量的水蒸汽，所以这篓混合气从热值 方面来看瘸子率低热德燃料。巍改烧这荣燃耩裂解气时，为了健燃气羚枫燃 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i ；宣嗣蔷；暑i 茹薯i ；薯篇篁；i i i 茹篁；i 蕊i ；i i ；罱茹葛；鞘黼皇i i i ；i 黼苗i i i i 岛黼葛i i i 皇暑黼蔷宣i i i i 躺蔷；高 烧室的出口温度达到原先的值，所需裂解气的质量流量就要比燃油的增加几 倍。如果不对燃烧室进行合理的改造，势登造成燃料喷射速度过大，对于燃 烧室的稳定性和燃烧效率带来不利影响n ”。为了解决这些问题，使得燃气轮 机能够高效清洁稳定地燃烧燃料裂解气，必须对原来的燃烧室进行改进或者 重新设计。 在早期的燃气轮机燃烧室设计过程中，由于对燃烧室的性能和污染物排 放要求不高，并且计算机能力有限，计算流体动力学( c f d ) 也没有发展起 来，因此当时燃气轮机燃烧室的设计主要借助予经验、半经验公式或者试验 的方法。随着燃气轮机性能的不断提高，对燃烧室的要求日益苛刻，传统设 计方法已难于完全满足先进燃烧室的设计要求，而且燃烧室的加工和试验费 用十分昂贵，周期又长，因此追切需要发展种新的设计方法。 当今，计算机科学技术、计算流体力学、计算传热学和计算燃烧学等学 科正经历着迅猛的发展，这为新燃烧室设计方案的实现提供了有力的工具和 途径。最近几年数值模拟方法得到越来越多的入认可，并逐渐成为燃气轮机 燃烧室设计的重要工具，燃气轮机工业界也比以往更加重视燃烧室的数值模 拟f 琏。例如确定方案的好坏，对方案进行初选，在试验阶段，可以用计算燃 烧学指导的数值计算取代一部分模型试验、冷态试验和全尺寸热态实验等等。 这样不但减少了费用，而且缩短了时间。因此，主要依靠计算而不需要大量 调试来解决燃烧室性能的预估和工程设计，有利于提高燃气轮机工作的可靠 性和经济性以及满足环保要求，这对促进燃气轮机的发展具有重要的实际意 义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 燃烧数学模型的国内外发展现状 1 9 0 1 年，l e r i c h a r d s o n 向英国皇家学会提交的一篇有关微分方程的有 限差分近似解的论文，揭开了偏微分方程近代数值分析的序幕“7 1 。s p a l d i n g 3 嗡尔滨工程大学硕士学位论文 在2 0 世纪6 0 年代螽麓，首先褥瓢了层流逸界震燃烧过程控铤微分方程鳃数 值解，并成功地接受了试验的裣验。但是，当入们试图用同样的思想釉方法 分耩实际燃烧过稳对，却遇裂了处理清流阆题静困难。建立搓述清流输运爱 描述湍流翔燃烧相互作用的数学模型的任务不可避兔地摆在蕊前，s p a l d i n g 和h a r l o w 等大继承和发震了k o l m o g o r o v 霸周培源等人魏工佟，剖立了巍蒲 流模型方法，提出了一系列的湍流流动模溅和湍流燃烧模型，在一定条件下 完成了澈滚燃浇过程控铡方程缀嚣封趣。毽锯在黠描述演滚及湍流燃烧避茬 舱定解润题进行礴教化和求解的过糕中，发展了各熟特色的数值方法，成功 她褥到了大熬搬述萋本燃烧瑗象和实际燃烧过程煞数值解n ”。 现代已经发展起来的湍流分析方法包括磨接数值模拟( d n s ) 、大漏模拟 ( l e s ) 以及孳l 入漓流模型来求解平翘卜s 方纛。壹接数值模缀郄誊接求解 ”s 方程，无须采用任何数学模型，但其网格必须足够小，以便描述小尺度 紊流。蠢予受裂计算橇资源熬隈制，到冀翁舞盘，著来广泛瓣应焉予王程湍 流研究。大涡模批的计算精度可与巍接数值模拟相魄，但其计算费用却便宜 能多，所以近年来得裂飞速发展。囱予计算量仍过大，基前只能模拟一些不 是很复杂的流动n 档。近期常用于工程实际的模拟方法是，通过各种滴流模型 研究渍流平均量采满是工襁实琢麴需要。这些港流模型主要泰：标准k 一# 摸 型、r n gk f 模型霍r e a l i z a b l ek 一模型，其中应用最为广泛酌燕标准 k g 模型，该模型是幽l a u n d e r 和s p a l d i n g 于1 9 7 2 年提撼的。需要注意的 是该模塑楚针对湍流发展非常充分的湍流流动来建立的，也就是谎奄是一释 针对高融数的湍流计算模型，丽当r e 数比较低时，如近壁区的流动，湍流 发震并苓充分，湍流的脉韵影响可能不螽分子糕性酶影哺犬。嚣诧，对r e 数 较低酶流动要采爆特殊豹处理方法。常用的方法是壁葱邈数法焖。 、 对于湍流燃烧模型，鼹翦毙较流行麓霄：篙纯熊p d f 燃烧模型、漩涡破 碎模型( e b u ) 、涡团耗散模型( e d m ) 和涡团耗散概念模型( e d c ) 。简化 的p d f 燃烧模燮既厝予快速反瘫麴燃烧系统，也震予有限反魔速率，在这静 情况下，总可以找到一个溅两个标璧来完全描述燃烧系统的化学热力学状态 嚣 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 参数，建立这些标量的输运方程以及假定它们脉动的概率密度函数，从而通 过概率积分就可以完全确定湍流燃烧过程中所有标量的时均特性。e b u 模型 是s p a l d i n g 提出的，该模型假设：对予管内紊流均匀预混火焰，在气流雷诺 数很大、紊流强度也较大时，化学反应速率很快，因此混气中燃料的消耗率 主要受控于气动力学，焉与化学动力学关系不大。1 9 7 6 年，m a g n u s s e n 提出 了e d m 模型，该模型既能用于预混火焰，也能用于扩散火焰，其基本思想 是：当气流涡团因耗散而变小时，分子之间碰撞机会增多，反应才容易进行 并迅速完成，故化学反应速率在很大程度上受紊滚的影响，蔼且反应速率还 取决于涡团中包含燃料、氧化剂和产物中浓度值最小的一个。1 9 8 1 年和1 9 8 9 年，m a g n u s s e n 又提出了e d c 模型，该模型蹴发点是化学反应由两个区组成： 一是在紊流微缨结构中分子闻很容易碰撞，发生化学反应，此时化学反应受 化学动力控制；二是在微细结构的周围较大涡团区域内，含有不同成分的涡 团，必须混合后才能进行化学反应，混合所需时间比化学反应时间长，因此 受混合速率控制n ”。 。 。2 。 燃烧流场数值模拟的国处研究现状 由于计算流体力学与计算燃烧学的发展主要在西方国家，所以流体与燃 烧的数值模拟已有相当大的成就，并开发出许多大型的多维燃烧流场数值模 拟的计算机程序。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，已经含盖可以用来模拟传熟、流动、化学反应及燃烧过程的程序 模块。1 9 7 5 - 1 9 7 8 年美国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。这个设计软件可以说是用于实际燃烧室性能 预髅的第一代燃烧室气动热力性簸计算软件广其主要特点是采用了直角坐标 系和柱坐标系，采用了比较简单的物理模型，如湍流模型、旋涡破碎湍流燃 烧模型、六通量热辐射模型、p s i c 两相流模型等。尽管如此，它仍可为燃烧 室流场计算提供定性的结果，成为理解燃烧室复杂物理化学特性的有力工具。 5 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 美国n a s a 在热端部件技术项目中对该软件进行了评估，认为处理燃烧室复 杂的几何形状需要采用曲线坐标系，为了提高精度，需要改进差分格式和物 理模型，需要建立燃烧室准确的试验数据库，以验证计算结果的可靠性幢”。 世界许多航空发动机制造厂家也相继开发出自己的燃烧室数值计算程 序。美国g e 公司在上个世纪8 年代歼发了c o n c e r t 软俘，采用三维荑占体 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嘲。英国r o l l sr o y c e 公 司开发的p a c e 程序已被应用于大量生产型和发展型燃烧室( 包括单管燃烧 室和环形燃烧室) ，改进了燃烧室出口温度分布和冷却装鼹的设计等旧；美国 p r a t t & w h i t n e y 公司开发的p r e a c h 程序成为该公司燃烧室设计和研制开发 的有力工具轻”。目前，随着计算流体力学的完善和燃烧理论模型的改进，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力广泛。 f l u e n t 公司于19 8 3 年推出的f l u e n t 软件是继p h o e n i c s 软件之后第二 个投放市场的基于有限容积法的大型软件。目前，这一软件的燃烧流场模拟 模块中，包括了多种湍流模型、多种燃烧模型以及可以模拟a r r h e n i u s 化学反 应速率、活性物生成的模型和多种辐射模型。因此，它可以模拟多种情况下 的燃烧，被认为是目前最好的燃烧流场计算软件。 在燃烧场的数值计算方面也取褥了一定的发展。s h i e h 等人针对气相湍流 流动采用标准七一g 模型、采用基于快速反应假设的p d f 模型；针对液雾相采 用随机轨道模型，利用数值模拟方法对某燃烧炉内的燃烧过程进行了研究， 并将模拟结果与s h u e n 的实验结果进行了对照，所预测的气相和液雾相分布、 气相温度等与实验结果符合较好，但是气相湍动能的计算结果较差。 a s a a r i o 等人对柱状燃烧室内的重油燃烧进行了数值模拟，主要考察不同的 湍流模型对计算结果的影响。文中分别对湍流模型和r s m ( 雷诺应力模型) 进行了比较，发现标准七一占湍流模型并不适合模拟燃烧室内高强度旋流流 场，嚣j i r s m 模型则适用予模拟燃烧室内的高强度旋流流动，模拟得到的燃烧 6 哈尔滨1 ：释人学硕十学能论文 室内烟气各种成分浓度的分布与实验测得的结果基本吻合协1 。 m u s t a f ai l b a s 和i l k e ry i l m a z 等人用f l u e n t 软件对某型燃烧室燃烧不同 燃料时的燃烧特性以及n o ，的排放进行了数僵模拟。燃料成分分别为： 1 0 0 h 2 、7 0 h 2 和3 0 c h 4 、1 0 h 2 $ 1 9 0 c h 4 、1 0 0 c i - 1 4 。在模拟过程中采 用标准k g 湍流模型，燃烧反应过程由7 个中间产物和3 个基元反应来描述， 用控制容积法求解守恒方程组。由模拟结果可知：与纯h 2 的燃烧情况相比， 随燃料中c h 4 含量的增加，火焰温度降低，n o 。的排放量减少，因而将h 2 和 c h 4 混合燃烧熊显著降低n o 的排放量；燃烧纯避时没有c o 产生，h 2 和c 氆 混合燃烧时虽然有c o 生成，但比燃烧纯c h 4 时c o 的排放量要低；在c h 4 的燃 烧过程中，n o 的产生主要是由于c 地热裂解产生的c h 而导致的瞬时n o ；由 于h 2 中不含c ，因而在h 2 的燃烧中产生的n o 主要是热力n o 。所有的数值模 拟结采均与实验测量值进行了对比，两者十分接近，因而该模拟方法是合理 的。这一系列的数值模拟研究，对燃气轮机低排放燃烧技术的开发具有一定 的参考价值乜”。 为了了解某联合循环燃气轮机燃烧室的联焰管被烧坏的原因， f z s i e r r a 和j k u b i a k 等人用f l u e n t 软件对该燃烧室内部的燃烧场进行了 的数值模拟，他们采用标准k 一8 湍流模型、部分预混燃烧模型、用控制容积 法求解守恒方程。通过对多个不闻的压力进囝边乔条件下燃烧场的数值计算 表明：在联焰管周围有一高温区存在，这个高温区可能是出于空气进口和一 次射流孔处的压力波动造成的。而这种压力波动几乎是不可避免的，机械震 动、流动的不稳定性或者几何模型的复杂性都可能引起燃烧室内部的压力波 动。应该考虑其他措施来防止联焰管的烧损，但文中并没有迸步研究解决 的办法。 j u r - g e nj 。j 。l o u i s 和j l mb w 。k o k 等人应耀c f x 软件对某个圆柱形 燃烧室燃烧合成气( 4 0 c o 、4 0 h 2 、2 0 n 2 ) 的非绝热燃烧场进行了数值 模拟研究，采用标准k 一占湍流模型、有限反应速率模型，并考虑了辐射的影 响。模拟过程中共用y 2 4 个基元反应来描述各物质问的反应情况。通过模拟 7 哈尔滨t 程人学硕十学传论文 预测得到的燃烧室出口处的c o 、c 0 2 、0 2 和n o 的含量与实验测量值吻合的 很好，说明该燃烧模型能很好的预测平均化学反应速率，可以用来计算燃烧 过程中n o 的生成量i 。 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 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；随着压力的提高，n h 3 向n o 转化 的速率变小；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n o 。排放研 究有一定的参考价值”“。 计算流体力学和计算燃烧学的发展是一个由低级到高级的过程。随着计 算机技术和计算方法的迅速发展、燃烧场的激光诊断技术的提高，在网格生 成、流场求解方法、燃烧理论模型方面会不断有新的突破。 1 2 2 燃烧流场数值模拟的国内研究现状 早期由于燃烧理论还不能够有效地指导燃烧室的设计，因而只能用试验 的方法来调整燃烧室的结构，使其逐渐达到设计指标的要求”。从上世纪 七十年代术八十年代初，随着计算机的飞速发展，人们开始越来越重视理论。 研究和数值模拟。它不但可以节约大量人力、物力、时间，而且只要模型准 确，结果就会准确、全面，甚至许多试验测量不准确的参数也可以模拟计算 出来。对航空发动机主燃烧室的数值计算研究工作是在上世纪8 0 年代初开始 的，目前在这一领域已取得了一系列成果，并在一些航空发动机研究所得到 应用。上世纪8 0 年代末开发的t t r r f ( t h r e e d i m e n s i o n a lt w o p h a s e 哈尔滨丁程大学硕士学能论文 i l li i l i l l l l l l li i = i l ；i ；篁赫赫皇；宣 r e c i r c u l a t i n gr e a c t i n gf l o w s ) - - - 维两相回流反应流程序反映了国内8 0 年代末 燃烧过程数值计算的研究水平。该程序采用了标准的湍流模型、e d u 湍流燃 烧模型、六通量热辐射模型、p s i c 两相流模型等当时先进的物理化学模型， 具有处理多个进口和出口的能力。9 0 年代初，在该软件的基础上开发了三维 贻体坐标下的两相湍流反应流软件c t t r r f 。这个软件可以计算燃烧室扩压 气流场、喷嘴出口及火焰筒头部流场、火焰筒内速度场、浓度场、温度场以 及燃烧室的性能汹，。 近年来，国内对燃烧场的研究也取得了较好的成绩。南京航空航天大学 的颜应文、赵坚行等人采用大涡模拟的方法对某燃气轮机燃烧室的气液两相 燃烧场进行了数值模拟研究，利用椭圆方程的方法生成三维贴体网格，计算 中采用k 方程亚霜格尺度模型估算亚网格紊流粘性；亚网格e b u 燃烧模型估 算化学反应速率；并在非交错网格下采用s i m p l e 算法和混合差分格式求解 离散方程。文中分别对两种不同的几何模型( 主燃孔的数目和位置不同) 及 三种不同的燃一空比进行数值模拟，并与实验结果进行比较。结果表明：主燃 魏的数墨和位置影响着这些孔妻i 射流深度，进而影响了主流区中燃料与空气 的混合；主燃孔的数目和位置还对燃烧室内的温度分布、各组分的分布以及 燃烧室出豳的温度分布有着较大的影响；随燃一空比的增大，燃烧室的出嗣温 度升高，c 0 2 的排放量增大。这些模拟结果与实验值吻合的较好，表明该文 献中介绍的模拟方法能用于研究液体喷雾的燃烧，从两指导先进燃气轮机燃 烧室的设计与优化轴蚰。 郭迸群对某型燃烧液体燃料的环形燃烧室进行了数值计算，并考察了火 焰筒的壁面温度分布情况。他哭用e b u a r r h e n i u s 紊流燃烧模型估算化学反 应速率，六通量热辐射模型估算辐射通量；在非交错网格下气相采用s i m p l e 算法求解，液相采用颗粒轨道模型和p s i c 算法求解；湍流模型分别采用了 标准k s 湍流模型和r n gk 一湍流模型。在其他模型都保持不变的情况 下，对分别采用这两种湍流模型的火焰筒壁面温度进行了对比分析。结采表 明这两种湍流模型对火焰筒壁面温度的影响不大；处于慢车状态时火焰筒壁 9 哈尔滨t 程1 7 1 大学颂十学位论文 面的温差较大( 高达1 0 0 0 以上) 。文中的不足之处是：在模拟时对该燃烧 室模型进行了较大的简化，即计算域只有火焰筒及其头部包围的区域，且气 膜冷却孔由等面积的冷却搪来代替嘲。 哈尔滨工程大学的冀光、张文平等人用f l u e n t 软件对某型燃气轮机燃 烧室酌燃烧流场进行了数值研究，模拟过程中采用“简单化学反应系统”模 型、“快速化学反应的假设和r n gk s 湍流模型。模拟结果表明，控制 过量空气系数和燃油雾优粒径对提高燃烧室工侔性能和降低污染物撵放具有 重要意义1 。 。中国科学院王程热物理研究所鲍徐纲等人采用f l u e n t 软件对某燃气 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，采用 标准k s 湍流模型、标准壁瑟滠数、非绝热的p d f 燃烧模型、p - 1 辐射模型、 并模拟了热力n o 。和瞬发n o 。，通过数值模拟了解到：原本燃烧天然气的燃 烧室壹接改烧中低热值煤气，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，但仍需对阻燃射流、掺混射流和气膜冷却气流 进行整体优化。为了选出适用于合成气燃气轮机燃烧室数值模拟的湍流燃 烧模型，崔玉峰等人分别采用涡团耗散模型( e d m ) 、平鸳混合分数p d f 模 型和层流小火焰模型( l f m ) 对某个燃烧中热值合成气的燃气轮机燃烧室进 行了数值模拟研究。在模拟过程中，还采用了r n gk s 湍流模型和p - 1 辐 射模型，用s i m p l e 算法进行压力一速度耦合求解，并对燃烧室模型进行了 一定的简化：即将气膜孔都简化为等面积的缝隙。通过对模拟结果的比较， 可知：采用e d m 会低估h 2 的反应速率，而高估c o 的反应速率，因此该模 型不适合用于模拟合成气燃烧；与e d m 相比，平衡p d f 模型与层流小火焰 模型更合理地预测了c o 和h 2 的反应速率。 j 朱彤、张毅勋等采用k g 双方程湍流模型、p d f 燃烧模型以及离散坐标 辐射传热模型，对低热值煤气高温空气燃烧过程进行了数值模拟，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，为低热值煤 o 哈尔滨j 1 ：稃人学硕十学：傅论文 ；i i i i i i ii i i i i i i i i i i ! i i 1 蔷； 气蓄煞式双预热烧嘴的研制提供了理论指导瑚。王家幄，彭峰等采用 r e a l i z a b l ek s 模型、有限速率燃烧模型对种中低热值废气处理燃烧器的 三维流动和燃烧进行了数值模拟，结采显示：燃烧室内静流动、燃烧、亿学 反应以及排放物中n o 。的浓度与燃烧器的导流片角度和燃烧器结构密切相 关，琶括内部流遒的形状和面积。+ 据此提出了对于燃烧器结构酶两种修改方 案。数值模拟结果表明：当去掉导流片从而增大空气流通截面积并减小流动 阻力后，燃浇器肉的速度期骶力分布合理，燃烧帮诧学反应效率提赢，摊放 物n o 。的浓度明照降低。其中一种经过改进的燃烧器投入使用后，缀检测 n o 。蕊浓度减少9 5 瓣t 。 罗渝东，张力等人采用修正的r e a l i z a b l ek e 湍流模型、有限速率化学 反应模型、标准的壁蘧丞数和s i m p l e 算法，瓣一耪低热徨煤层气燃烧器进 行了全尺寸的三维燃烧数值模拟研究，预测了燃烧器出口的流场、温度和组 分分奄祷况，并考察了不同热受蘅和不黧喷困形式对燃烧器性能豹影响。模 拟结果对该燃烧器的进一步优化设计有一定的指导意义m ，。随后，唐强等人 采焉同样的模型对3 种低热值煤层气燃烧器进行了全尺寸豹三维燃烧数僮模 拟，比较了热念下不同燃烧器出口的流动和燃烧特性，得出了燃烧器的最佳 喷疆形式”。 由于对燃烧室内部燃烧流场的数值模拟在国内起步比较晚，目前所做的 工作主要有以下特点：采用模型燃烧室( 郄瓣几簿外形进雩亍了麓萃处理) ；流 动为稳态流动；计算燃烧一般都采用“简单化学反应系统 模型和“快速化 学反应 的假设：只考虑火焰篱内部流动，火焰篱一般无气朕冷却结构或对 气膜孔进行定的简化，备排掺混孔的进气量及方向是给定的；在同子午 蕊内，流动对燃烧室轴线成对称分糍，在圆周方向是周期性重复；湍流模型 般采用标准k 一艿模型或者r n g 黠s 模型，以便祷到合理的燃烧遮率等。 1 。3 本文的主要磅究内容 1 几何模型的改造 哈尔滨下程大学硕士掌位论文 1 ) 由于本文选用的该燃烧室结构较为复杂，在计算初期先对燃烧室进行 了一定的简化：将火焰筒中部和燃气收集器处理为无厚度壁面，气膜孔都忽 略不计。 2 ) 为使该燃烧室能高效稳定地改烧燃料裂解气，对其喷嘴进行了改造。 3 ) 为了解燃烧室各部位的进气量对燃烧场的影响，对主燃孔和掺混孔的 直径做了改变，由设计值痧1 3 ，分别变为矽l o 、矽1 l 、矽1 2 和矽1 4 。 4 ) 由于前面将气膜孔都忽略掉，必然造成火焰筒壁面温度偏高。为比较 准确地考查火焰筒壁面的温度分布情况，特将气膜孔加上。 5 ) 针对原燃烧室燃烧流场中存在的一些问题，本文尝试了两种改进方案： 口将气膜孔下方的小壁面去掉；6 减少气膜孔的数目( 分别减少三分之一、二 分之一和三分之二) 。 2 燃烧场的数值模拟 1 ) 首先对简化之焉的燃烧室进行燃油燃烧场的变工况数值模拟，得到了 速度、温度等参数在燃烧场中的分布情况以及过量空气系数、燃烧效率和火 焰长度随负荷变化而变化的趋势，从而对该燃烧室的燃烧特性有了一定的了 解，可以为后续裂解气燃烧场的改进工作提供很好的指导。 2 ) 应用本文中设计的几种喷嘴分别进行设计工况下裂解气燃烧场的数值 模拟，通过对模拟结果的比较，确定了满足要求的喷嘴设计方案。然后对采 用该喷嘴的裂解气燃烧场进行变工况数值模拟，得到了过量空气系数、燃烧 效率、火焰长度、出口平均温度和流域内最高温度等参数随负荷变化而变化 的趋势，并与燃烧燃油时的相应情况迸行了对比分析。 3 ) 对5 种具有不同主燃孔和掺混孔直径的燃烧室分别进行设计工况下裂 解气燃烧场的数值模拟，得到了过量空气系数、火焰长度和出口温度场的最 大不均匀度随孔径变化丽变化的趋势，对于该燃烧室的结构优化有一定的参 考价值。 4 ) 对有气膜孔的裂解气燃烧场进行变工况数值模拟，得到了流场中主要 参数隧负荷变化焉变化的趋势，并与没有气膜孔时的相应情况进行了对比分 1 2 嗡尔滨t 狂大学硕士学能论文 析。 5 ) 针对前面趱判的辨种改进方案，分嬲进行裂瓣气燃烧螨的数值模拟， 递进瓣挺擞结果的对院分橱，确定了较黄合理麓改善燃巍场麴方法。 1 3 哈尔滨i ：释人学硕十学位论文 第2 章数学物理模型 无论燃烧过程多么复杂，也无论其具体表现形式如何千变万化，它们都 遵循自然