（热能工程专业论文）横向来流对等离子点火器点火区域的影响.pdf

j 1 。 ， 7 c l a s s i f i e di n d e x ： l 。 u d c ： ad i s s e r t a t i o nf o rt h ed e g r e eo f m e n g t h e i m p a c t o fh o r i z o n t a lf l o wf i e l dt o l g n l t l o nr e 9 1 0 no ip l a s m a1 k n l t l o n c a n d i d a t e ： s u p e r v i s o r ： a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ： s p e c i a l i t y ： d a t eo fs u b m i s s i o n ： d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ： u n i v e r s i t y ： w us h u l i a n g a s s o c i a t e p r o f l iz l l i h t i f f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g t h e r m a le n g i n e e r i n g d e c ，2 0 0 9 m a r ，2 0 1 0 h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y t 一k l 、_ 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) ：熙钆 日期：，7 年月，飞日 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( 酣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) ：累焉毵 日期： ，年专月弓日 麒吖i ， 专 菇妒 ，】 儿 月 字 签 年 ， 币叫 j y d 晰 7 l t 哈尔滨丁稗大学硕十学位 摘要 等离子点火技术是一种新型的点火技术，具有独特的点火特性和很强的 点火能力。等离子点火器在实际点火过程中，其点火区域经常要受到横向来 流的影响。为了确保等离子点火器能进行有效点火并且不损伤等离子点火器 及其他相关设备，有必要对有横向来流时等离子点火器的点火过程进行研究。 本文通过数值模拟的方法来研究横向来流对等离子点火器点火区域的影响。 本文通过对现有等离子点火技术的研究，结合等离子点火器实际结构， 建立等离子点火器及点火区域的几何模型；利用燃烧学、计算流体力学等相 关知识，建立等离子点火器燃烧流场的数学物理模型；采用了r e a l i z a b l e k 一 湍流流动模型，简单快速反应速率模型、d o 辐射模型，对壁面采用壁面函 数法进行处理，使用s i m p l e 算法求解控制方程组；运用这些数学物理模型， 对不同工况进行数值模拟。 通过对所选工况数值模拟结果的分析，得出燃料质量流量、空气质量流 量和横向来流速度对等离子点火器内部及点火区域燃烧流场影响的规律。根 据所设定的等离子点火器具有良好点火性能的标准得出：在燃料质量流量为 0 4 9 s 时，空气过量系数为0 4 - - 0 5 时等离子点火器具有良好的点火性能；在 燃料质量流量为o 5 9 s 时，空气过量系数为0 3 时等离子点火器具有良好的 点火性能。燃料质量流量为0 6 9 s 时，由于点火区域火焰范围过大，已经不 适合进行点火。 关键词：数值模拟；横向来流；等离子点火器；燃烧流场 哈尔滨下稗大学硕十学位 a bs t r a c t p l a s m ai g n i t i o nt e c h n o l o g yi san e wt y p eo fi g n i t i o nt e c h n o l o g y , i th a sa u n i q u ei g n i t i o n c h a r a c t e r i s t i c sa n ds t r o n gi g n i t i o nc a p a b i l i t y i nt h ep l a s m a i g n i t i o np r o c e s so ft h ea c t u a li g n i t i o n , t h ei g n i t i o nr e g i o nf r e q u e n t l ys u b j e c tt o h o r i z o n t a lf l o wi m p a c t i no r d e rt oe n s u r et h a tt h ep l a s m ai g n i t i o nd e v i c ec a nb e e f f e c t i v ea n dd o e sn o td a m a g et h ep l a s m ai g n i t i o n , i ti sn e c e s s a r yt os t u d yt h e i g n i t i o np r o c e s sw h e nh a v el a t e r a lt ot h es t r e a mo fp l a s m ai g n i t i o nd e v i c e t h i s a r t i c l eu s e st h em e t h o do fn u m e r i c a ls i m u l a t i o nt os t u d yl a t e r a lf l o wh o wa f f e c t t h ei g n i t i o nr e g i o no f p l a s m ai g n i t i o nd e v i c e c o m b i n e dw i t ht h ea c t u a ls t r u c t u r eo ft h ep l a s m ai g n i t i o n , g e o m e t r i c a lm o d e l o fp l a s m ai g n i t i o na n di g n i t i o na r e ai sb u i l tt h r o u g ht h ee x i s t i n gp l a s m ai g n i t i o n t e c h n o l o g yr e s e a r c h ；u s i n gc o m b u s t i o n ，c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c sa n do t h e r r e l a t e dk n o w l e d g e ，t h em a t h e m a t i c a la n dp h y s i c a lm o d e lo fp l a s m ai g n i t i o n c o m b u s t i o nf l o wf i e l di se s t a b l i s h e d ；t h es t a n d a r dk 一m o d e lo ft u r b u l e n tf l o w , s i m p l ea n dr a p i dr e a c t i o nr a t em o d e l ，d or a d i a t i o nm o d e l s ，e t ca r eu t i l i z ei nt h i s p a p e r , w a l lf u n c t i o nm e t h o di su s e dt op r o c e s st h ew a l l ，s i m p l ea l g o r i t h mi su s e d t os o l v ec o n t r o le q u a t i o n s ；u s e dt h e s em a t h e m a t i c a lp h y s i c sm o d e l ，d i f f e r e n t c o n d i t i o n si ss i m u l a t e d a n a l y z i n gt h et h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t so ft h es e l e c t e do p e r a t i n g m o d e i n f l u e n c ep r i n c i p l e so ft h ef u e lm a s sf l o w , a i rm a s sf l o wa n dt h a n s v e r s e f l o wv e l o c i t yt ot h ep l a s m ai g n i t i o ni n t e r i o ra n dt h ei g n i t i o na r e ac o m b u s t i o n f l o w - f i e l di sg a i n e d i na c c o r d i n gt ot h eg o o di g n i t i o np e r f o r m a n c es t a n d a r d so f p l a s m ai g n i t i o n ，s o m er e s u l t s a r eg a i n e d ：p l a s m ai g n i t i o nh a sg o o di g n i t i o n p e r f o r m a n c ei nt h ec o n d i t i o no ff u e lm a s sf l o wa t0 4 9 sa n de x c e s sa i rc o e f f i c i e n t a t0 4 一5 p l a s m ai g n i t i o nh a sg o o di g n i t i o np e r f o r m a n c ei nt h ec o n d i t i o no ff u e l m a s sf l o wa t0 s g sa n de x c e s sa i rc o e f f i c i e n ta t0 3 w h e nf u e lm a s sf l o wi s 0 6 9 s ，i ti sn ol o n g e rs u i t a b l ef o rt h ei g n i t i o nb e c a u s et h ef l a m er a n g eo gi g n i t i o n a r ei st o ol a r g e f i i 哈尔滨t 程大学硕士学位 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 r a n s v e r s ef l o w ；p l a s m ai g n i t i o n ；c o m b u s t i o n f l o wf i e l d l 、 i 哈尔滨下程大学硕士学位 目录 第1 章绪论1 1 1 研究的目的和意义l 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 国内等离子点火器的研究与应用2 1 2 2 国外等离子点火器的研究与应用3 1 2 3 燃烧理论及数值模拟方法的发展5 1 2 4 国内、外等离子点火器数值模拟进展。6 1 3 本文主要研究内容8 第2 章数学物理模型“9 2 1 流场基本控制方程9 2 2 湍流流动模型10 2 2 1 标准k g 双方程模型1 1 2 2 2r e a l i z a b l ek - e 双方程模型。1 2 2 2 3 壁面函数法l3 2 3 湍流燃烧模型15 2 3 1 简单快速化学反应系统16 2 3 2 守恒量和混合分数1 6 2 3 3 概率密度函数1 9 2 4 辐射模型“2 0 2 5 本章小结2 2 第3 章数值求解方法2 3 3 1 离散的基本概念2 3 3 2 计算区域的离散”2 4 3 3 控制方程的离散一“2 7 哈尔滨工程大学硕十学位 3 4 算法2 9 3 5 松弛因子3 0 3 6 本章小结31 第4 章数值模拟结果及分析3 2 4 1 几何模型和工况3 2 4 2 非预混燃烧的预处理3 5 4 3 等离子点火器燃烧流场参数分布3 6 4 3 1 平均混合分数分布3 7 4 3 2 温度分布3 8 4 3 3 速度分布3 8 4 4 4 5 4 6 4 7 4 8 结 参考文 攻读硕 致 哈尔滨t 程大学硕十学位 第1 章绪论 等离子体是由电子、离子等带电粒子以及中性粒子( 原子、分子、微粒 等) 组成，宏观上呈准中性。所谓准中性是指等离子体中的正负粒子数目基 本相等，在宏观上呈现中性。等离子体被称为物质的第四态，自从十八世纪中 期被发现以来，人们对它的认识和利用不断深化【1 1 。 等离子体以其特有的特性，在很多领域受到各国专家广泛关注。目前， 等离子的应用研究涉及物理、化学、工程等各个领域，并且形成了三大交叉学 科：等离子体物理、等离子体化学和工程等离子体。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 2 - 4 。 1 1 研究的目的和意义 燃烧室是燃气轮机中的一个核心的部件，其工作过程具有高温，高速， 运行参数剧烈变化等特点。高效率、高可靠性的燃气轮机必须有高效率、高可靠 性的燃烧室。而安全、可靠的燃烧室非常重要的一点就是能实现有效点火，点火 的成功率直接关系到整个动力装置的安全有效运得孓丌。 等离子点火与普通的燃烧过程有很大的区别，由于空气经过高温电离后， 分子的化学键被打断，形成活性很强的离子，形成等离子体气流，这其中包括了 大量的活性粒子，加快了空气与燃料的化学反应过程。快速的化学反应过程及其 高温和强烈的湍流作用，将燃烧的火焰能量迅速从高温点火核心向周围可燃混合 物传递，提高燃料点火的可靠性和混合气体的反应能力，降低了出口截面温度场 的径向不均匀度，保证点火的可靠性【删。 在等离子点火器对燃烧室进行点火过程中，等离子点火器的点火火焰在点火 区域会受到横向来流的影响。这会导致等离子点火器喷射的火焰在点火区域内发 生偏移，严重影响等离子点火器的点火效果。如果不能对等离子点火器的点火火 哈尔滨工程大学硕十学位 焰在点火区域进行有效控制，不仅不能进行有效点火，更可能对设备产生一定的 损害，导致安全事故的发生。 等离子点火器由于其特殊的结构和小巧的体积，使得一些重要的参数无法通 过实验获得，而且实验也会消耗大量的人力、物力和财力。应用数值模拟方法可 以对实验难以测量的参数进行预估，还可以将数值模拟的结果用于指导等离子点 火器的结构设计以及工况的选择，提高工作的可靠性和经济性。因此，采用数值 模拟的方法对等离子点火器燃烧流场影响进行研究是十分必要的。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内等离子点火器的研究与应用 我国的等离子点火技术的研究工作起步较晚，在二十世纪七十年代中期 才开展，虽然中伺遇到不少困难和挫折，但到目前为止取得了不错的进展。等 离子点火器的应用在我国也越来越广泛，积极响应了我国提倡的节能减排政策， 对环境保护起到非常重要的作用。 在我国，等离子点火技术应用最多的领域是电厂煤粉锅炉等离子点火技 术，通过最近几年的电厂实际应用已经全面成熟。2 0 0 0 年2 月，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，该厂现有火电机组全部改造为等 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。由洛阳高新区博耐特公司与俄罗斯科技 工作者合作研制的等离子点火装置于2 0 0 3 年1 1 月份研制成功，2 0 0 4 年5 月通过 国家鉴定。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 点火热效率高、寿命长，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 , - - , 2 0 ，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【l m l 2 】。到2 0 0 5 年4 月，我国开发的等离子点火稳燃装置在近1 3 0 台电厂煤粉锅炉上成功运行， 2 哈尔滨工稃大学硕十学位 应用总装机容量超过4 0 0 0 0 m w t l 3 j 。2 0 0 6 年华能玉环电厂超超临界i0 0 0 m w 机 组2 号锅炉等离子点火系统进行起动调试及运行。运行结果显示，仅起动调试阶 段即可节约燃油约6 0 0 0 吨【1 4 j 。现在我国等离子点火系统已能用于3 0 0 m w ， 6 0 0 m w ，1 0 0 0 m w 等多种燃煤锅炉，并且运行情况良好。虽然整个系统的投资 较大，但是基建调试和锅炉起动时能节约大量燃油，具有良好的经济效益。采用 等离子点火系统后，电除尘器也投入使用，减少烟尘排放，降低了环境污染。现 在等离子点火系统在我国电力行业已经广泛使用。 近年来，由于等离子点火器良好的点火性能，我国航空工业的专家也开 始对等离子点火技术进行深入的研究。希望能成功将等离子点火技术应用于高 性能的航空发动机。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 间就取得了很大的进展，成功地解决了点火器系统质量、点火器尺寸以及电磁干 扰控制等关键技术，尤其是在利用介质冷却点火器电极的延寿措施方面具有独到 之处，具有较高的可靠性和紧凑性。我国研制的这种航空点火系统能在较宽的压 力和温度范围内工作，并在恶劣工作条件也具有较大的点火成功率，与以前建立 在热能机理上的常规火花点火相比具有很大的优越性【1 5 6 1 。 国内一些高校也开展关于等离子点火技术的理论和技术基础研究工作。清 华大学早期曾与哈尔滨锅炉厂等多家单位研制等离子点火技术，哈尔滨工程大学 也于1 9 9 2 年就开展了发动机的等离子点火与强化燃烧技术的理论和技术的基础 研究工作，并且先后完成了3 个型号的燃气轮机等离子点火系统的研制工作【1 7 1 。 到目前为止，已经有越来越多的科研单位和高等院校开始开展等离子点火技术的 研究。 1 2 2 国外等离子点火器的研究与应用 早在二十世纪七十年代初，各国科研工作者就开始关注等离子点火技术， 到七十年代末至八十年代初，等离子点火装置开始应用于大型工业燃烧设备。 八十年代中期，燃烧动力学和计算流体力学等学科的快速发展，使得等离子 点火技术也得到很大的发展。这期间等离子点火技术开始转向地面燃机和航 哈尔滨工程大学硕十学位 空航天动力装置的应用研究上。九十年代，等离子点火技术受到越来越多的 关注，很多国家开始研究等离子点火设备。 独联体国家率先把等离子点火系统用于舰用燃气轮机以及从西伯利亚到 欧洲的远距离输油干线的燃气轮机泵站上。俄罗斯科学院新西1 f i n 亚分院、 乌克兰国立海洋技术大学、布列斯特工学院等科研院所，他们都在等离子点 火这一领域中进行了大量的研究工作。 1 9 8 7 年俄罗斯在新西伯利亚第二发电站工业锅炉上也成功进行了等离 子体点燃煤粉实验。试验中使用的点火燃烧器采用电弧等离子体发生器产生 低温等离子，不仅有效解决了煤粉火炬燃烧的无油点火和稳定燃烧问题，而 且同时增强了燃料的完全燃烧和降低了氧化氮的排放【l 引。并且在1 9 8 8 年， 他们开始将研究成果用于现代舰用燃气轮机及各种型号的地面燃气轮机点火 系统中，并对等离子点火和强化燃烧系统进行了试验和运行【1 9 1 。 一些国家已经证实等离子点火器能使燃机在低工况下的工作性能得到很大 改善和提高，使点火工况时燃料的燃烧效率提高，耗油率降低，炭黑含量下降， 降低活性致癌物多环芳香烃碳氢化合物的数量等等 8 1 。 目前，美、英、法、德、日等国在等离子点火技术的研究上，都投入大 量的人力、物力、财力，并都取得了快速的进展。在将等离子点火技术应用 于电站锅炉方面，1 9 7 8 美国g e 公司世界上第一次成功开发等离子直接点燃 煤粉技术。该公司在田纳西流域管理局布伦电厂的一台9 0 0 m w 机组的锅炉 上试验等离子点火装置，试验过程运行良好，点火成功。在美国除了g e 公 司，美国联合碳化物公司早期也研制和应用等离子流点火燃烧器，该公司在 马里塔电厂2 9 5 t h 的锅炉上也成功采用了等离子点火器直接点燃煤粉气流。 1 9 9 3 年澳大利亚成功开发了用氮等离子体点燃煤粉的技术【2 0 】，能点燃各种煤 种。 在航空发动机等离子体点火系统的研究上，各国也做了很多的工作。1 9 8 7 年美国实施的综合高性能涡轮发动机计划中的重点研制项目之一就是发动机 燃烧室的等离子点火器。1 9 8 8 年，英国r r 燃料加注公司燃烧研究室和利兹 4 哈尔滨t 稃大学硕十学位 大学机械工程系对发动机环形管上火花塞集束放电等离子点火器进行了成功 的实验。证明等离子点火技术在航空发动机上应用的可行性和较强的高空二 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 术展览会上也推出一种能够应用于航空发动机上的等离子流点火系统。随着 高温材料技术、电子器件、机械制造技术和计算机技术等其他学科的快速发 展，更加有利于等离子点火器在航空发动机上的应用。近年来，国外在航空 实用型等离子流点火系统开发方面呈加速趋势【1 。7 1 。 1 2 3 燃烧理论及数值模拟方法的发展 1 9 世纪，燃烧过程开始被作为热力学平衡体系来研究，热力学成为认识 燃烧现象的基础。2 0 世纪3 0 年代，美国化学家刘易斯和俄国化学家谢苗诺 夫确认燃烧的化学反应动力学是影响燃烧速率的重要因素，并且发现燃烧反 应具有链锁反应的特点，这样初步奠定了燃烧理论的基础。随着其他学科的 迅猛发展，3 0 至5 0 年代，人们开始认识到影响和控制燃烧过程的因素还有 气体流动、传热、传质等物理因素，从而建立了着火，火焰传播，湍流燃烧 的理论。5 0 至6 0 年代，美国力学家冯卡门和我国力学家钱学森倡议用连 续介质力学来研究燃烧的基本过程，并建立了所谓的“反应流体力学”。计算 机的快速发展让燃烧理论和数值方法完美结合【2 l 】。 在燃烧过程数值模拟方面，s p a d i n g 做了大量的工作。二十世纪六十年 代，s p a d i n g 成功得到了层流边界层燃烧过程的控制微分方程的数值解，其 后与h a r l o w 创立了湍流模型方法，提出了一系列湍流输运模型，并且在一定 条件下，完成了湍流燃烧过程控制方程组的封闭。在此过程中，发展了具有 特色的数值方法和计算程序。1 9 7 6 年，s p a l d i n g 和h a r l o w 引入各相物质相互 穿透的概念。后来s p a d i n g 拓展了相的概念，建立了多项化学流体基本方程 组和多相流的解法，成功地对一系列多相流动和燃烧问题进行了数值分析。 s p a d i n g 等人还编制了p h o e n i c s 大型通用计算程序，其中包括用来模拟流 动、传热、化学反应及燃烧过程的程序模块【2 2 乃】。 哈尔滨t 程大学硕士学位 目前，随着计算流体力学和计算燃烧学的快速发展，新的通用计算软件 越来越多，常用的有以下几种： 1 p h o e n i c s ：模拟流动、传热、化学反应及燃烧的大型通用软件； 2 k i v a ：分析内燃机中负责的流动、传热和燃烧的通用软件； 3 c e a ：美国n a s a l e w i s 研发中心g o r d o n 和m c b r i d e 研制的化学平 衡计算软件； 4 p e r ：采用平衡常数法，计算等容或等压燃烧的绝热火焰温度，燃 烧产物的组分； 5 s t a n j a n ：化学平衡成分计算程序，可以计算燃烧产物的平衡成分， 绝热火焰温度及爆震参数等； 6 t t r r f ：是三位湍流、回流数值计算软件。主要用于航空燃气轮机 主燃烧室的专用计算软件； 7 t t r r f b c s ：三维贴体坐标系下的湍流、回流数值专用计算软件。 8 f l u e n t ：用于模拟传热、流动、燃烧等问题的大型通用软件。 在c f d 软件中，f l u e n t 软件是目前国内外使用最多、最流行的商业软件 之一瞄】。f l u e n t 的软件设计基于“c f d 计算机软件群的概念 ，针对每一 种流动的物理问题的特点，采用适合于它的数值解法在计算速度、稳定性和 精度等各方面达到最佳。 1 2 4 国内、外等离子点火器数值模拟进展 燃烧理论和计算流体力学理论的发展，为流体计算软件的发展提供了必 要条件。而利用流体计算软件进行数值模拟给等离子点火器设计研究提供了 很大帮助。 到目前为止国内相关工作者在研究等离子点火技术过程中，应用数值模 拟方法给实际工作带来很大的参考价值，提供了很多的便利条件，也解决了 不少实际问题。哈尔滨工程大学的师生在等离子点火器内部燃烧流场数值模拟 这方面进行了大量的工作，通过对不同结构，不同工况条件下的等离子点火器内 6 哈尔滨丁程大学硕十学位 部燃烧流场运用不同的数学物理模型进行了不同的数值模拟，取得了很好的效 果，对等离子点火器的研究工作提供了很大的帮助，并通过数值模拟发现了很多 问题，给实际问题的解决提供了很大的帮助1 2 5 。3 0 1 。 文献 2 5 】用等效加热区代替欧姆热的电弧，对等离子发生器内的空气热流体 流场进行了数值模拟。分析了进气预旋角、进气口气流总压和喷嘴气流压缩角对 电极斑点附近的电极表面温度的影响，讨论了电极表面温度的变化，对等离子发 生器的结构设计和电极冷却方式提出了合理的建议。 文献 2 6 】用简单概率密度函数模型对等离子发生器燃烧流场进行数值模拟， 得到了等离子点火器内部燃烧流场的参数分布。 文献 2 7 1 针对等离子点火器的三维燃烧流场进行了大涡模拟。结果表明复杂 的漩涡结构与化学反应的相互作用控制和强化了燃烧过程，在燃烧的充分发展阶 段，大涡模拟能更好的反映流场的各项异性和合理的湍流统计物理量的分布。 文献 2 8 ，2 9 对电弧等离子点火器内湍流燃烧流场进行了数值模拟。将考虑了 辐射和没考虑辐射的计算结果进行比较，得出辐射模型对速度场影响不大，对温 度场有影响的结论。 文献【3 0 】采取了有限速率化学反应模型对等离子点火器内部三维湍流燃烧流 场进行了数值模拟，得出了在富燃料情况下的流场特性参数分布和产物分布。 其他相关的科研工作者也通过数值模拟取得了各个方向实质性的进展【3 3 1 。 文献 31 】利用a n s y s 软件，得到不同类型的等离子发生器所产生的温度和 速度分布，研究喷嘴尺寸、电极形状等对等离子电弧特性的影响。 文献 3 2 】对套筒式等离子燃烧器内的燃烧流场进行了二维数值模拟，并与实 验和工程应用结果进行了比较。降低了燃烧器喷口温度，改善了燃烧器工作过程。 文献 3 3 】对等离子点火装置内气体流场进行数值模拟。对不同工况下进气速 度，电功率对电极表面温度及流场温度进行研究，对等离子发生器的结构设计提 出了合理建议。 国外，s r a j a nb e l o s e v i e ，m i r o s l a vs i j e r e i e 等对煤粉锅炉等离子点火器点 火进行了数值模拟瞰】。预测出点火是否成功与被电离的空气流量以及非反应 7 哈尔滨丁程大学硕十学位 的混合气的流量有很大关系。如果为反应的混合气速度与等离子体流相比速 度过大，火焰有被吹熄的可能。k e m c mt a k i m 等人利用数值模拟并结合实验， 研究了在超音速燃烧室中等离子火炬对燃烧的强化作用3 5 。7 】。文献p 8 1 利用 c h e m k i n 软件模拟n 0 和n 0 。对点火的强化作用。他们发现n o 和n 0 。能够在 较低的温度下，明显减小h 。和碳氢化合物的点火感应时间，效果比氧原子要 好。并且结果还说明燃料的成分直接影响着点火效果。 国外介绍等离子点火器的文献很多，但是利用数值模拟方法的较少，利 用数值模拟方法模拟横向来流对等离子点火器点火区域影响的更少。 1 3 本文主要研究内容 在等离子点火实际过程中，等离子点火器点火区域会受到横向来流的影 响，为使等离子点火器具有良好的点火性能，对横向来流对等离子点火器点 火区域的影响进行研究是一项非常重要的工作。等离子点火器结构复杂，体 积小巧，仅凭实验手段获取研究所需参数，需耗费大量的人力、物力和财力， 且效率低下。通过对等离子点火器燃烧流场进行数值模拟，得到流场参数有 效分布，对等离子点火器研究工作将会带来巨大的帮助。 本文主要工作内容： 1 、通过对现有等离子点火技术的研究，建立等离子点火器及其点火区域 的几何模型； 2 、利用燃烧学、计算流体力学等相关知识，结合等离子点火器实际结构 及燃烧特性，建立等离子点火器燃烧流场的数学物理模型。主要采用了 r e m i z a b l e k 一湍流流动模型，简单化学反应系统、快速反应假设、联合概率 密度函数模型、d o 辐射模型等等；此过程中采用壁面函数法对壁面进行处 理，使用s i m p l e 算法求解控制方程组。 3 、运用上述数学物理模型，对不同工况下的横向来流对等离子点火器点 火区域的影响进行数值模拟并对模拟结果进行分析。 8 哈尔滨t 程大学硕十学位 第2 章数学物理模型 等离子点火器及其点火区域的燃烧流场是一个非常复杂的湍流燃烧流 场，包含了湍流流动、传热传质、雾化和燃烧等一系列过程。要对该燃烧流 场进行数值模拟，必须选择合适的数学物理模型。本章将着重讨论等离子点 火器及点火区域中所要用到的数学物理模型，这也是数值计算的基础。 2 1 流场基本控制方程 等离子点火器内部三维稳态湍流反应流场，基于连续介质假设，从输运 定律出发，依据燃烧规律，其守恒基本控制方程组在直角坐标系中可表示为： 连续方程： 导( p u j ) ：o ( 2 - 1 ) d x ： 动量方程： 其中： 能量方程： 组分方程： 南c p 吩，一砉+ 考c 乃，i = 1 , 2 , 3 c 2 乏， 勺叫苦+ 鲁，一詈肛薏岛 器鬻也旦f u , u , 】+ 1 仁3 ， 苦i ( r ，_ 嘣鲁吡也吲圳+ 考( 鹏) = 毒 r ，罄卜局加，刀 c 2 q 式中：厅混气的总焓，厅= 鸭岛+ 芝1 甜2 ，j 埏 9 哈尔滨丁程大学硕十学位 一，组分的静焓，岛2 j q ，刀+ 岛 o ，j k g 。- 、温度为瓦时，组分的焓值，j k g 马，组分的生成率 c p ，组分的等压比热，j ( k g 。k ) r ，组分的交换系数，f f = d , p 、刀分别为辐射热流和组分数 、鸩分别为，组分的质量分数、摩尔质量，g m o l 、分别为混和气体的粘性系数、普朗特数，吒0 9 口、l 分别为混和气体的扩散系数、热交换系数，l = 上述基本方程组均由对流项、扩散项和源项组成，用统一的形式表示为： d i v ( p u , ) = d v ( r 击g r a d o ) + s q , ( 2 5 ) 式中：西寺求的未知量 & 相应的源项 r 击对应于咖的扩散系数 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【3 9 1 。 2 2 湍流流动模型 在实际的燃烧过程中，其流动工况通常是湍流。而湍流的出现不仅影响 着流场的特征，影响着所有的输运过程，也影响着燃烧速度。湍流过程非常 复杂，到目前为止，人们对湍流的本质尚缺乏深入的了解，对它实行数学描 述除了个别边界层问题尚缺乏突破。对于实际的湍流过程，我们只能用近似 和模型的方法来解 模型、k u 模型、 诺应力模型以其突 哈尔滨t 程大学硕十学位 2 2 1 标准k 一双方程模型 等离子点火器内的流动属于湍流流动。湍流是一种复杂的流动，各种物 理参数如温度、速度、压力、浓度等都是随时间与空间发生随机变化。目前 通常处理湍流所采用的基本方法是雷诺时均方程法【训5 1 。其基本思想是：湍 流量的瞬时值总可以分解为该量的平均值和脉动值的线性叠加，也就是所谓 的雷诺分解，时均流控制方程也称为雷诺方程。 k 一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 ， 等+ 掣= 舢+ 引外q 竹胆一+ 瓯p 6 ， 警+ 掣= 补+ 纠外q 。昙c q 也g m 。p 知p 乃 兵中，q 是平均速度梯度引起的湍流动能k 的产生项，由f 式计算： q = 鸬陪坛8 u j 厩 o u p 8 ， g 6 是浮力引起的湍流动能后的产生项，对于不可压流体，皖= o ；对可压流体， 有： g = 隗瓦# t 瓦c o t ( 2 - 9 ) 其中，是重力加速度在i 方向的分量；一是湍动p r a n d t l 数，可取以= o 8 5 ： p 是热膨胀系数，可由下式求得： p 一吉等 仁埘 代表可压湍流中脉动扩张的贡献，对于不可压流体，匕= o ；对可压流体， 哈尔滨丁稗大学硕十学位 = 2 p s m ?( 2 - 1 1 ) 式中：m 湍动马赫数，m = 4 k 口2 口声速，口= 4 - y ，r r ，m s 模型中其他常数取值分别为：c l 。= 1 4 4 ，c 2 。= 1 9 2 ，吼= 1 0 ，以= 1 3 ； 对于可压流体的流动计算中与浮力相关的系数g ，当主流方向与重力方向平 行时，有c 3 。= l ；当主流方向与重力方向垂直时，有c 3 。= o 【4 6 - 4 9 1 。 不可压流体瓯= 0 ，足= 0 。 标准k 一湍流模型是针对充分发展的湍流流动建立起来的，是一种针对 高r e 数的湍流计算模型，而当湍流发展并不充分，r e 数比较低时，湍流的 分子粘性的影响可能比脉动影响要大。因此，通常用壁面函数法去处理r e 数 较低的流动。 2 2 2r e a l i z a b l ek 一双方程模型 标准k 一模型对时均应变率特别大的情形，有可能导致负的正应力，这 种情况是不能实现的。为保证计算结果的可实现性，使流动符合湍流的物理 定律，需要对正应力进行某种数学约束。为保证这种约束的实现，e 不再视 为常数，而与应变率联系起来。r e a l i z a b l e k 一模型中七和g 方程表示为例： 其中， = 户一 ，一0孚 + 玑、i，等 a 一 蛭掰 哈尔滨t 挥大学硕十学位 吼21 o ，吒2 1 2 ，c 2 = 1 9 ，c l = m a ) 【( o 4 3 ，i - i 石# ) 唰2 巧驴孝，瓦= 圭( 等+ 拳 “= 蚂了k 2 ，q = 不面1 硒 4 = 4 0 ，凡= 拓c o s ，咖= 1 c o s - i ( 廊) 形= 黼，巧习1 瓦a u i + 肚丽丽( 2 - 1 5 ) q = 1 1 ，一2 ，q ，= f l ，一魄 这里的q ，是从角速度的参考系中观察到的时均转动速率张量，对于 无旋流场，u + 计算式根号中的第二项为零，该项专门用以表示旋转的影响， 也是本模型的特点之一。 与标准的k e 模型项i ：k 较，r e a l i z a b l e k e 模型的主要变化有【5 l 】： ( 1 ) 湍流动力粘性系数计算公式发生变化，引进了与旋转和曲率的有关 内容； ( 2 ) 方程发生了很大变化，方程中的产生项不再包含k 方程中的产生 项q ，现在的形式更好地表示了光谱的能量转换； ( 3 ) 方程中的倒数第二项不具有任何奇异性，即使k 很小或为零，分 母也不会为零。这与标准k - e 模型有很大区别。 2 2 3 壁面函数法 壁面函数法的基本思想是：对于湍流核心区的流动使用k 一模型求解， 而在壁面区不进行求解，直接使用半经验公式将壁面上的物理量与湍流核心 区内的求解变量联系起来。这样，不需要对壁面区内的流动进行求解，就可 直接得到与壁面相邻控制体积的节点变量值。通过与k - e 模型配合，能成功 地解决近壁区域及低r e 数情况下的流动计算问题【5 2 1 。壁面函数公式就好像一 哈尔滨t 程大学硕十学位 个桥梁，将壁面值同相邻控制体积的节点变量值联系起来【5 3 】。 壁面函数法针对各输运方程，分别给出联系壁面值与内节点值的公式。 1 动量方程中变量u 的计算式 为了用公式描述粘性底层和对数律层内的流动，现引入两个无量纲的参 数u + 和y + ，分别表示速度和距离。当与壁面相邻的控制体积的节点满足 广 1 1 6 3 时，流动处于对数律层，此时的速度为 甜+ = 土l i l ( 砂+ ) ( 2 1 6 ) 推荐y + 按下式计算 + ：二a 二幽1 41 2y 佗1 7 ) + = 二_ _ - _ 坐 ( 2 肛 此时的壁面切应力l 满足： = 科矽u p u +( 2 1 8 ) 式中，e 是与表面粗糙度有关的常数，仡为k a r m a n 常数，对于光滑壁面有 仡= 0 4 ，e = 9 8 ：砟是节点p 的湍动能：是节点p 的时均速度；p 是流 体的动力粘度。弗是节点p 到壁面的距离； 当与壁面相邻的控制体积的节点满足y + 0 ，即聊7 i l = f ，= 0 ，m = 1 - f ； 若f 0 ，即加，i f = 0 ，= 一a t ，聊胛= l + 矽； 若f = 0 ，即r n f u = 0 ，= 0 ，m ，= 1 把组合变量( m 摩一么) 作为守恒量妒代入式( 3 2 1 ) ，得到 厂兰藩-型mo。a)耩-mo霄a) 弘2 9 ) 一k( 一 。 毕 这里，厂称为混合分数。 如果f 和a 分别代表燃料和氧化剂，即，4 = 0 m o x ，f = 0 ，则： 厂三丝! 擎监竖坐o )。 1 + m o x , a a 、7 如果化字反应在燃烧至内全邵结束，则出f 3 混合物中燃料；f 口氧化剂个能 同时存在。 若厂 无，则 一。厂= 等链笋 若厂= 厶，则 朋2 2 。 厂= 而m o x , a a ( 2 - 3 3 ) 式( 2 3 3 ) 可视为六的定义式，下标彳表示化学当量比。 关于混合分数厂，有以下几个特点： 1 8 哈尔滨丁程大学硕十学倚 ( 1 ) 混合分数是守恒量； ( 2 ) 厂的取值范围是o 到1 ，空间任一点的厂值与两股流体在该点的混合 比例相关，若在某点未发生混合，则厂= 0 或厂= 1 ； ( 3 ) 不同于燃料和氧化剂的混合比，厂除了与燃料和氧化剂的局部浓度 有关之外，还与进口条件有关； ( 4 ) 以不同于化学当量比彳，它不仅与燃料和氧化剂的种类有关，而且 还受初始浓度的影响。 2 3 3 概率密度函数 通常由两种方法来确定未知的概率密度函数p ( 厂) 。一种方法是概率密度 分布函数模型：直接建立以p ( f ) 为因变量的微分方程，通过求解p ( f ) 的输 运方程来得到，这是严格意义上的p d f 模型。另一种方法是简单概率密度分 布函数模型或简化的p d f 模型：根据对湍流脉动的设想，预先给定p d f 的分 布形式，常用的分布形式有城墙式分布、截尾正态分布和b e t a 函数形式分布