旋流预混燃烧室燃烧特性及排放特性的数值模拟研究

为了综合考察燃气轮机燃烧室在高稳定性、低排放以及燃料适应性等方面的新要求,基于旋流预混燃烧技术,通过三维数值模拟方法开展了甲烷/空气、丙烷/空气预混燃烧特性及排放特性研究。结果表明：在一定的预混气进气质量流量条件下,当量比增大易引发回火,燃烧温度更高,同时NO_x排放指数增大,增加预混气质量流量,可在一定程度上提高回/熄火极限;当量比固定,增加预混气进气质量流量可避免潜在的回火现象,且NO_x排放指数线性降低;旋流器的旋流数增大能形成强旋流,稳定火焰,降低NO_x排放指数,但过大的旋流强度会引发回火现象;相比于甲烷/空气预混燃烧,丙烷/空气预混燃烧温度偏高,NO_x排放指数较大,但回熄火边界更宽,对应更广阔的稳定燃烧区间。     

分层比对双旋流预混火焰结构和燃烧不稳定的影响

基于双旋流预混燃烧实验系统,采用动态压力传感器、ICCD相机等装置,研究了不同分层比对双旋流预混火焰宏观结构和燃烧不稳定的影响．研究结果表明：随着分层比增大,火焰的主释热区由主燃级下游逐渐移向火焰根部,再逐渐向预燃级下游靠近,旋流火焰张角随之增大,火焰中心界面结构有“W”、“V”和“多褶”3种典型结构;随着分层比增大,火焰由稳定转为不稳定,且主频都在60 Hz左右,振幅先增大再慢慢下降,且在分层比为1.25和1.50时,有明显的不稳定第二频率出现,其大小约等于2倍的不稳定主频．     

旋流预混燃烧室燃烧特性研究

以某型燃烧室为研究对象,采用RANS(Reynolds average navier-stokes)和LES(large eddy simulation)两种方法进行数值模拟,并对两种数值方法的模拟结果进行了对比分析。研究结果表明,RANS的计算结果能够反应燃烧场中的主要流场特征,具有一定的工程意义。LES能够复现弱轴向流动区等具体的流场细节,对剪切层位置和强度模拟较准确,还能模拟火焰动态发展过程,捕捉燃烧流场动态特性。与RANS相比,在燃烧流场数值仿真方面,LES占据更明显的优势。经计算,该工况下进动涡核由三个相对独立的螺旋涡分支组成,在燃烧室激起周期性速度脉动和压力脉动,LES捕捉到进动涡核主频率为156 Hz。     

部分预混旋流燃烧的大涡模拟

采用耦合涡耗散概念模型的大涡模拟方法,探究了Re和组分变化对部分预混旋流火焰动力学特性的影响。通过与实验结果定性和定量的比较,验证了大涡程序模拟燃烧过程的可靠性。计算结果显示Re的增加,会明显提高空-燃混合效率,从而导致部分预混火焰中预混燃烧模式的比例有所增加,且预混燃烧区域向上游移动,Re的增加也会使得火焰下游产生更多更快的涡破碎结构。N_2含量的增加,会减小流向回流区尺寸,降低空-燃混合效率,但对减小火焰温度具有明显效果,从而对降低NO_x排放产生积极作用。结论为进一步研究部分预混旋流燃烧室的不稳定性及燃烧效率提供了理论和方法上的指导。     

贫燃预混旋流火焰的燃烧不稳定性

在低污染模型燃烧室上,从实验角度研究了常温常压下贫燃预混旋流火焰燃烧不稳定性.主要着眼于当量比、旋流数和掺混段结构对于燃烧不稳定性的影响.结果表明,当量比对燃烧的稳定性具有重要影响,随着当量比的提高,燃烧经历了稳定-不稳定-极限环,振荡的频率变化不大,而脉动压力幅值显著增大,最终达到极限环状态.旋流强度增大会导致压力脉动增大,进入不稳定的最小当量比降低.实验所采用的开孔掺混方式与开放式的自由混合方式相比,对燃烧不稳定压力脉动有减小的效果.     

当量比变化对合成气双旋流喷嘴燃烧火焰特征的影响

采用平面激光诱导荧光（PLIF）、高温热电偶及红外气体分析仪,对不同当量比下的合成气在双旋流模型燃烧室内的火焰特征进行了试验研究.结果表明：当量比为0.2时,合成气火焰的反应区呈月牙形,随着当量比的增大,合成气火焰根部逐渐出现M型分布特征,火焰锋面的内、外侧张角均单调减小,火焰推举高度与穿透深度增大,同时,燃烧室中下游出现大量的反应区,火焰根部受到压缩,燃烧室排气温度升高,CO排放量迅速降低.     

当量比对涡轮叶间燃烧性能影响的数值模拟

为探究涡轮叶间燃烧性能,设计了4种不同当量比的工况,利用 FLUENT 软件的 Realizable k-ε湍流模型、PDF 燃烧模型、DO 辐射模型和离散相模型对燃烧室的流动及燃烧进行数值模拟.结果表明:燃烧室能在广泛的当量比(2.59~0.81)下保持性能稳定,燃烧效率保持在96%以上、总压损失低于2.4%,气体温度提高650,K 左右;降低当量比,能够提高燃烧效率,降低 CO、UHC、NOx 等污染物排放,改善温度分布,但会造成更大的总压损失;最优当量比等于1.00,此时燃烧效率在99.95%以上,总压损失相对低(1.5%),出口径向温度呈抛物线型分布,最适合燃烧室设计.与文献对比发现,选取的工况合理,其结果对涡轮叶间燃烧室设计具有参考价值     

当量比对微型燃气轮机H2/Air燃烧特性的影响

为了探究氢气微型燃气轮机的燃烧特性,用数值模拟方法分析了6种不同当量比工况下的燃烧室内流场特性、压力损失、燃烧效率、NO_x排放和速度分布等参数。结果表明：当量比对回流区的范围影响不大,压力损失和出口速度随当量比增加逐渐增大,出口温度分布系数（OTDF）、排气温度和NO_x排放随当量比的增加先增大后减小;径向速度的分布关于燃烧室中心轴线对称;当量比小于1时,燃烧效率在99.9%以上;当量比大于1时,燃烧效率随当量比增加而降低;当量比为1时,排气温度达到2 500 K,NO_x排放达到最大值,偏离化学当量比燃烧有利于抑制NO_x的生成。     

低气压条件下甲烷预混燃烧CO和NO生成机理研究

为研究低气压条件对甲烷预混燃烧中CO和NO_x生成特性与生成路径的影响,采用Chemkin软件进行详细数值模拟研究。通过采用Python语言自编程序调用最新光谱数据计算普朗克平均吸收系数,并导入Chemkin软件中来提升辐射传热的计算精准度。结果表明：采用Konnov0.6化学反应机理与所提出的辐射模型中普朗克平均吸收系数计算方法可以准确预测低气压条件下甲烷燃烧的温度、NO和OH质量浓度分布;随着气压的降低,甲烷与空气预混燃烧时炉膛前部温度逐渐降低,而炉膛后部温度逐渐增加;气压降低导致CO生成速率增加和消耗速率减小,两者共同作用导致CO生成量增加和燃尽率降低;甲烷与空气预混燃烧生成的NO主要来自快速型和NNH型,且快速型和NNH型路径的贡献随着气压降低略有增加。     

基于动态增厚模型的甲烷/空气预混旋流燃烧回火大涡模拟

基于动态增厚模型大涡模拟,耦合甲烷两步化学反应机理对甲烷预混火焰在德克萨斯大学旋流燃烧器中的回火过程进行模拟研究．分别采用绝热边界条件及考虑热损失边界条件对回火过程进行模拟,对比两种边界条件下的回火热释放及回火速度可以发现,考虑热损失后回火速度更接近实验值．回火过程中火焰面会形成火舌结构,火舌顺着预混段内流场方向作周向运动,同时沿着中心体壁面向上游传播．而当边界层回火占主导时,火舌顶端周向运动不明显．     

壁面油膜对甲烷预混气燃烧特性和排放的影响

针对壁面油膜与预混火焰的相互作用过程,采用数值模拟研究方法,考察了不同初始条件下,多组分柴油油膜对甲烷-空气预混火焰传播过程淬熄、壁面热通量等燃烧特性和碳烟、氮氧化合物NOx、未燃碳氢化合物(UHC)等排放的影响.首先,考察了温度为800～1100 K,压力为1.5～2.5 MPa、壁面温度为350～450 K和当量比...     

微细通道中甲烷与氧气的预混燃烧

对微细通道中甲烷/氧气预混火焰传播性质进行了实验研究．确定了微细通道中不同甲烷浓度下的火焰传播速度,以及混合气体流量与火焰传播速度的关系．结果表明,混合气体流量对火焰传播速度有显著的影响,在微细通道中火焰传播速度的分布趋势与宏观尺度下火焰传播速度的分布趋势基本相同,但在数值上随着流量的不同相差较大．实验证明,在室温条件下,甲烷和氧气预混火焰可以在细管中稳定停留在一点燃烧,并且可以很好地控制其移动;当量比为1．0时火焰传播速度受流量影响最大．     

空气旋流数对甲烷燃烧NOx生成影响数值模拟研究

为研究甲烷-空气非预混燃烧下空气旋流数对流动特性、温度分布及其对污染物NOx生成的影响,利用CFD软件,采用标准的k-ε湍流模型、P-1辐射模型和涡流耗散模型进行数值模拟。结果表明：空气旋流数从0提高到0.8的过程中,形成的中心内回流区会强化燃料和空气混合,中心火焰向燃烧室两侧逐渐扩散,火焰长度变短,且高温区移动到燃烧室的前端,局部高温的产生得到了抑制,燃烧室内的温度场更加均匀,进而导致NOx生成量的下降。同时研究燃烧器几何尺寸对气体停留时间及NOx排放浓度的影响,发现缩小空气入口孔隙半径r和燃空径向隔板间距L会导致气流速度增大,促进反应更快地弥散到整个空间,能够进一步抑制NOx的产生。     

贫预混预蒸发燃烧室振荡燃烧特性的实验研究

针对燃用航空煤油的贫预混预蒸发模型燃烧室的振荡燃烧特性开展了实验研究。实验表明:在相同的燃烧室入口空气燃料混合物流速下,随着当量比的增加,燃烧室振荡燃烧的振荡主频从132 Hz增加到144 Hz,但燃烧室的均方根脉动压力幅值却从1 464 Pa下降到342 Pa。在当量比不变情况下,入流空气燃料混合物流速较低时,容易引发振荡燃烧现象,而当入流空气燃料混合物流速较高时,则燃烧会变得稳定。分析了整个燃烧实验装置的前4阶轴向声学模态频率,发现实验中所激励出的振荡燃烧主频和第二阶轴向声学模态频率吻合的很好。     

天然气预混催化燃烧的特性

制备了1%(质量比)Pd/Al_2O_3陶瓷蜂窝催化剂,并用钡、镧、铈等氧化物对其进行改性,然后负载在堇青石载体上,并进行天然气预混催化燃烧实验。研究了空燃比、功率对催化燃烧尾气排放的影响,结果表明,催化燃烧温度在500～900℃时,空燃比、气体流速都会对催化燃烧效果产生影响;当空燃比在8.3～19时,可实现稳定催化燃烧;空燃比在11～19时催化燃烧效果较好,尾气中CO几乎为零,HC低于10~(-5),NO_x低于5×10~(-6)。     

基于白噪声信号的旋流预混火焰传递函数的数值模拟

利用2种不同的宽频噪声信号对旋流预混火焰进行扰动,并比较二者的频谱特性,利用经典的比例控制环节验证传递函数程序的准确性;通过不同位置速度脉动之间的传递函数,以及火焰热释放与速度脉动之间的火焰传递函数验证了计算结果的准确性。结果表明：2种信号的火焰传递函数基本重合,且具有明显的对流特性,对流涡与火焰之间的相互作用是导致热释放波动的内在机理;幅频特性表现出了明显的低通特性,相频特性满足比例关系,研究对于燃烧室设计具有重要的实际工程应用价值。     

旋流燃烧室内甲烷湍流燃烧的数值模拟

为合理考虑湍流-复杂化学反应的相互作用,建立了甲烷湍流四步反应的温度脉动简化概率密度函数(PDF)模型.应用该模型对TECFLAM燃烧室内的甲烷湍流旋流燃烧进行了数值模拟,得到了与实验相符合的气体轴向、径向与切向速度、温度、温度脉动均方根值及甲烷、氧气、二氧化碳与水蒸气质量分数分布.得到的一氧化碳和氢气质量分数分布与实验基本符合.     

甲烷/空气在微小型Swiss-roll燃烧器内燃烧的实验研究

为了解微小型Swiss-roll燃烧室的工作特点,进行了甲烷/空气预混气的燃烧实验,获得了燃烧器的可燃极限,研究了回热对燃烧器可燃极限的影响.结果表明,当甲烷流量在O.8～2.7mg/s之间时,所设计的微燃烧器能够实现cH4/空气的稳定燃烧,并确保火焰位于燃烧器的中心.存在回热时,燃烧器的富氧极限减小,从没有回热时的0.7减小到O.5.但是可燃极限并不关于ER=1对称,富燃极限大,而富氧极限小.同时,对微燃烧器进行了数值模拟,结果表明,燃烧器中心的回流区使燃烧器能够在较大的可燃极限范围内稳定工作.     

直喷式柴油机预混燃烧期的研究

分析预混燃烧期是研究柴油机燃烧性能的重要内容。通过从预混燃烧期的基本定义出发,在发动机放热率曲线上拟合出了用以确定预混燃烧期终点的公式。并试验验证了公式对不同燃料的普遍适用性。试验研究表明：相同转速下同种燃料的预混燃烧期随负荷增加而缩短;负荷相同时,转速越高预混燃烧期越长。