生物乙醇喷雾蒸发和预混过程的数值模拟研究

基于生物乙醇燃料的贫燃预混、预蒸发燃烧技术(Lean Premixed Pervaporation,LPP),采用数值模拟方法,研究了预混室内生物乙醇雾化蒸发流场,分析了预热空气温度为500、600和1 000 K以及旋流数为0.47、0.8和1.41时的生物乙醇蒸发和气体混合特性的规律。研究表明:在LPP预混室旋流流场中,中心回流区宽度随预混室距离的增加先增大后减小,并且会受喷雾射流的影响拉伸变长,中心回流区随旋流强度的增大更贴近喷雾出口,角回流区的长度随旋流强度增大而缩短直至消失,旋流强度对液雾整体蒸发速率影响不大,但会影响液雾分布;进气温度增加会增大进气速度,提高液滴蒸发速率,缩短液雾炬长度;液滴蒸发过程存在一定程度上的压力振荡,会对LPP不稳定燃烧过程产生一定影响。     

钝体燃烧器环形后台阶预旋流动的数值研究

采用SST湍流模型对带旋流的三维环形后台阶的流场进行了数值分析,比较了不同孔阶比和来流旋流数对环形后台阶流场的影响.结果表明:在合适的边界条件和计算网格下,SST湍流模型对后台阶流动回流区长度的预测能力最佳;当来流旋流数为1.0时,钝体下游的中心回流区长度可以不受钝体孔阶比的影响,从而保证在多种工况下稳定的火焰;随着来流旋流数的增加,中心回流区长度接近正比例增加,来流预旋改变了钝体下游的流动结构,使轴向速度减小,速度峰值移向燃烧室的外侧壁面.通过对钝体孔阶比和旋流数进行联合优化,可得到合理的中心燃烧位置.     

空气旋流强度对气泡雾化喷雾流场及火焰的影响

对不同空气旋流强度下气泡雾化喷嘴出口下游喷雾流场特性及燃烧特行进行了诊断与分析.随着空气旋流强度的增加,喷雾锥角明显增大,颗粒的轴向平均速度有所降低,而速度分布趋势则由单峰分布逐渐转变为双峰分布.同时,径向和切向的平均速度都有所提高,速度脉动加强,气、液两相之间的混合趋于强烈.空气旋流强度对油雾的燃烧过程影响显著,随着旋流数S的增大,油雾火焰的湍乱程度加强,火焰长度缩短,火焰表面皱褶和旋涡的尺度有所减小.空气旋流强度过小或过大,都将导致燃烧状况恶化;在S=1.2时,燃烧产物中的cxHy、CO和NO 的体积含量均达到较低的水平.     

LPP燃烧室振荡燃烧特性、火焰结构和NOx排放的实验研究

利用动态压力传感器、平面激光诱导荧光（Planer Laser Induced Fluorescence,PLIF）测量系统和气体分析仪针对不同入口气流旋流数和空气含湿量条件下,贫预混预蒸发（Lean Premixed Prevaporized,LPP）燃烧室中振荡燃烧特性、火焰结构变化规律和NOx排放特性开展了实验研究。研究表明：在一定条件下,随着燃烧室入口气流旋流数增加,激励出振荡燃烧的当量比区域扩大,所激励的振荡燃烧强度不断增加,但振荡燃烧的主频则不断下降,火焰变得更加紧凑且不断向燃烧室中心和上游壁面发展;随着燃烧室入口空气含湿量的增加,振荡燃烧强度会下降甚至消失,振荡燃烧的主频增加,火焰结构由振荡燃烧时的平整型火焰向稳定燃烧时的V型火焰转变,火焰的位置也向燃烧室侧壁面和下游方向移动;LPP燃烧室中NOx排放会随着燃烧室入口空气含湿量和入口气流旋流数的增加而下降。     

低排放塔式同轴分级旋流配比对燃烧流场的影响

以天然气-低排放塔式同轴分级燃烧室为研究对象，采用Realizablek-ε湍流模型和FGM燃烧模型研究了旋流器旋流数对热态流场的影响．结果表明：随着二级旋流数增加，中心级和一级流量增加，二级流量减少，燃料掺混均匀性提高，均匀指数最大提高0.061；压力损失小幅增加，而CO排放显著减少，燃烧效率提高且超过99%；模拟的各工况温度分布均匀，均形成稳定的回流区，燃烧稳定；对16种不同的旋流器方案进行筛选，选出0.7/0.8旋流器方案为最佳方案．     

二次风旋流强度可调范围的数值模拟研究

利用Ansys12．0软件对实际电站锅炉的炉内流场进行了数值模拟,分别研究了内、外二次风旋流强度对炉内流场的影响．结果表明：随着旋流强度的增加,中心回流区开始远离燃烧器出口轴线位置,回流区长度增加,回流区面积增大,当旋流强度大于某一数值时,将不能形成较好的中心回流区,易发生飞边现象;外二次风旋流强度对回流区的影响较大,但调节范围却较小,而内二次风旋流强度的可调范围较大;内二次风和外二次风旋流强度的可调范围分别为0．58～2．74和0．58～1．00．     

旋流数对燃烧不稳定性及NO_x生成的影响

采用大涡模拟方法分析了旋流数对燃气轮机燃烧室内预混燃烧不稳定性以及NO_x生成特性的影响.结果表明:增大旋流数使得流场的扩张角增大,中心回流区范围扩大,对燃烧产物的卷吸能力增强,预混段内温度升高,高温区范围扩大,有利于燃料气流的着火与稳定燃烧,火焰长度也有所缩短;旋流数为0.7时,流场中仅存在一个进动涡核,旋流数较大时,则出现2个明显的进动涡核;增大旋流数使得涡旋周期性的脱落频率增加,破碎位置向上游移动,同时由于火焰长度缩短,热释放区域相对更为集中,从而导致燃烧室内压力脉动频率及其对应的压力峰值增大;增大旋流数也使得火焰宽度增大,峰值温度有所降低,有利于控制NO_x排放体积分数.     

旋流对驻涡燃烧室湍流流动的影响

为分析旋流对湍流流动的影响,对并排双旋流模式以及无旋流模式下的流场进行了数值模拟。在冷态下,旋流间的相互作用主要影响回流区形态,旋流极大拓展了湍流大脉动区域,适中的旋流更利于维持双涡结构。在热态下,旋流对回流区总体强度的影响比冷态更强烈,双旋流使凹腔湍流脉动受到抑制。燃烧能显著改变凹腔回流区和旋流回流区形态,增强旋流回流区强度,缩小其尺度,但使凹腔回流区尺度和强度均明显减小。燃烧可改善双涡结构,使气流旋动比湍流脉动具有更强的轴向衰减特性。     

不同湍流强度下液雾燃烧的直接数值模拟

采用欧拉方法求解气相场,采用拉格朗日方法跟踪液滴颗粒,对液雾燃烧进行了直接数值模拟研究.分析了不同湍流强度下液雾燃烧的液滴蒸发特性和燃烧特性.发现在低混合分数区域,液滴蒸发速率约等于零.当混合分数大于夹层内平均混合分数的时候,液滴蒸发速率随混合分数线性增加.液雾燃烧的着火时间与相同条件下气体混合物的着火时间相比会更长.湍流在混合分数空间中抑制了液体燃料的蒸发,但是能够加强燃料和氧化剂的混合,从而进一步促进化学反应的进行.     

高炉煤气燃烧器稳燃旋流流场的冷态优化实验研究

针对高炉煤气热值低,不易点燃、燃烧稳定性差等问题,设计了一种旋流燃烧器,通过冷态实验,研究该旋流燃烧器煤气侧旋流叶片角度分别在30°、45°、60°时出口气流对冷态流场的影响。结果表明:随着旋流叶片角度的增加,回流区明显增加,旋流强度逐渐增强,旋流叶片角度为60°时,得到最佳的回流区,回流区长1.98 d_(eq)、宽1.85 d_(eq)。     

一体化加力燃烧室燃烧性能数值研究

针对某两级中心分级分区单头部燃烧室结构参数对头部下游流场结构的影响,采用数值模拟结合正交设计的方法研究了头部结构参数（一/二级旋流数、值班级套筒张角、隔离段高度比）的变化对燃烧室流动特性的影响规律和程度。结果表明：中心回流区最大宽度随着二级旋流数、隔离段高度比、一级旋流数、值班级套筒张角4个结构参数的增大而增大,并且影响程度依次降低;中心回流区长度随着一/二级旋流数的增大而增大,套筒张角和隔离段高度比则对中心回流区长度的影响程度较小;值班级和主燃级旋流器的旋流数偏大以及值班级套筒张角偏大都会导致台阶回流区消失     

过量空气系数及旋流数对天然气燃烧特性的影响研究

针对天然气在O2/N2氛围下扩散燃烧时,过量空气系数和旋流数对WNS型燃气锅炉燃烧室内的温度分布、速度分布及NOx生成的影响,利用CFD软件,采用标准k-ε湍流模型、P-1辐射模型和涡耗散模型进行数值模拟。基于旋流对流动特性的影响,采用旋流数S来表示入口空气的旋流强度。结果表明：在过量空气系数α从1.0增大到1.3的过程中,火焰直径逐渐变小,排烟温度降低,燃烧室出口处NOx的质量分数逐渐减小;在空气旋流数从0提高到0.8的过程中,燃烧室内形成了中心回流区,火焰的径向流动分布逐渐改善,燃烧室内的温度分布更加均匀;旋流燃烧的火焰中心轴线温度分布高于直流射流燃烧,提高空气旋流数可以有效降低NOx的质量分数。     

旋流强度对F级燃气轮机燃烧稳定性影响分析

旋流器是目前燃烧室中常用的稳定火焰的结构,主要通过气体经过旋流器后在下游形成的回流区来稳定火焰。一般采用旋流数表征旋流器的旋流强度。旋流数一方面会影响空气和燃料的掺混,另一方面会影响回流区的尺寸,从而对火焰的长度和稳定性产生影响。针对某重型燃气轮机的燃烧器,采用数值模拟的方法分析了旋流数变化对热态温度场的影响,同时采用三维有限元方法分析了旋流数对燃烧稳定性的影响。结果表明:旋流数增加,会使得火焰更加紧凑,长度缩短,同时使得燃烧室二阶周向模态稳定性恶化,不稳定的风险增加;降低旋流数会使得火焰长度增加,轴向模态稳定性恶化。该研究结果可为类似机组的相关设计研究提供参考和借鉴。     

双旋流燃烧器内旋流-回流相互作用机理的数值研究

形成具有良好旋流-回流特性的空气动力场是实现煤粉高效洁净燃烧的前提。本文对新型双旋流燃烧器内流场的旋流、回流特性及相互作用机理开展了数值研究。不同进气结构和流量比下的计算结果表明:(1)燃烧器前部靠近入口附近,旋流数S与回流率Xr的变化趋势相同;随着流动向下游发展,S与X_r的变化趋势相反;在燃烧器前部Xr的变化较S更剧烈;(2)端面进气结构下,双重旋流具有更好的旋流和回流叠加增强效果,改变一次风旋流强度可以灵活调节内部旋流与回流强度;(3)错列进气结构下,一二次进风口间距存在一个临界值;超过该值后,通过增大二次风旋流强度来提高旋流与回流将变得十分困难。     

入口旋流数对煤粉低尘燃烧器流场的影响

以液排渣旋风燃烧过程为基础的煤粉低尘燃烧器可在燃烧过程实现捕渣,为工业加热提供低含尘浓度的高温火焰,是工业加热过程实现以煤代油的先进燃烧技术。根据旋流燃烧流动特点,采用能考虑非均向湍流应力的雷诺应力模型,对旋流煤粉低尘燃烧器内气流流动过程场进行数值模拟计算,计算结果与流场实验测试相吻合。研究表明,气流进入燃烧器时的旋转强度（旋流数）对燃烧器内的流动特性有很大影响,在冷态模型条件下,当旋流数在7以上时,环室回流在轴向贯穿燃烧器整个流场,有利于增加煤粉颗粒在燃烧室内的循环次数,提高灰渣捕获率;低于7时,环室回流出现阻断,不再连续,易造成煤粉颗粒直接逸出,对燃烧及灰渣捕获不利。随旋流数增加,燃烧器出口处中心回流率增大,对炉膛高温烟气的抽吸作用增强。     

旋流燃烧器结构对116 MW立式燃气锅炉低氮性能的影响

利用ANSYS-Fluent CFD软件,采取Realizable k-ε模型和有限速率/涡耗散模型对某116 MW立式燃气锅炉进行数值模拟,该立式锅炉有左右两个燃烧器入口。对比分析了不同旋流数(0、0.54、0.77、1.11、1.67)和左右入口空气不同旋转方向下,燃烧室内中心截面速度矢量分布、温度分布以及轴向不同截面平均温度和NO_x质量分数。结果表明：旋流空气能在炉内形成中心回流区,使得燃料与空气有效混合,燃烧扩散到整个炉膛,随着旋流数的增加,炉膛内中心回流区向入口移动,高温区域也随之向入口方向移动,且高温区域减少,炉膛内整体温度下降,出口NO_x排放从212 mg/m³降低到76 mg/m³,而当旋流数增加到1.11以上时,旋流数大小对炉膛内NO_x的生成和排放的影响将会很小。研究还发现当左入口空气为左旋,右入口空气为右旋时,该燃气锅炉不仅燃烧稳定并且具有较低的NO_x排放。     

双径向反向旋流器燃烧室冷态流场数值研究

文章采用数值模拟的方法对一种新设计的双径向旋流器燃烧室的冷态流场进行了研究,并对旋流器的重要设计参数进行了计算和验证.研究表明:双径向反向旋流器能在燃烧区形成有效的回流区,同时反向旋转加强了燃料空气混合,有利于污染控制.从旋流数来看,燃烧区旋流数均大于0.6,旋流强度足以形成有效的回流区用于稳燃.最后文章研究了此结构下两级旋流器的流量系数并与初始设计用值进行了比较.     

燃气轮机涡旋式喷嘴内流体动力特性数值模拟研究

提出了一种新型燃气轮机涡旋式喷嘴,这种喷嘴相对于传统的具有固定的涡旋数的喷嘴而言,其特点就在于能在相同的Re数下得到不同的涡旋数,因此,在低负荷的情况下更加有利于燃料的燃烧。对喷嘴的结构以及流场特性进行了深入探讨,同时,还对不同的涡旋数下,流场内的中心回流区及湍流强度分布特性进行了分析和讨论。进一步的模拟及实验研究还有待进行,以描述由这种涡旋式喷嘴产生的流体动力特性及其如何影响燃烧过程。     

旋流数对某环管型燃烧室内燃烧及NOx生成特性的影响

采用数值模拟的方法对主喷嘴不同旋流数下某重型燃气轮机环管型燃烧室内流场、温度场和热力型NOx生成规律进行分析。结果表明：燃烧室内主喷嘴出口形成主回流区,根部贴近壁面处形成外部回流区;值班喷嘴出口处形成中心回流区;值班喷嘴出口扩散火焰区域与外部回流区温度较高,热力型NOx生成速率明显加快;旋流数增大,主回流区范围增大,外部回流区范围减小,中心回流区消失;燃烧峰值温度略有降低,高温区范围明显减小,热力型NOx生成速率降低;适当增大主喷嘴旋流数有利于控制NOx排放。     

中心分级燃烧室旋流角变化对燃烧特性的影响

实验研究了一种中心分级燃烧室值班级旋流角变化对燃烧性能的影响。采用了单头部单管式燃烧室,值班级一级旋流器旋流数分别为0. 63、0. 72和0. 93,实验研究了采用不同旋流数时燃烧室的点火、慢车贫油熄火、污染物排放和燃烧效率等燃烧特性。实验结果表明:旋流数变化对燃烧室的点火、慢车贫油熄火、污染物排放及燃烧效率等有很大影响;旋流数及一级旋流器和二级旋流器的旋流数差值增加后燃烧室的点火和慢车贫油熄火特性得到改善。一级旋流器旋流数的增加会导致污染物排放的增加及燃烧效率的下降。