LPP低污染燃烧室两相喷雾燃烧数值研究

提出一种带有多点燃油直接喷射双环预混旋流(TAPS/MLDI)头部的贫油预混预蒸发(LPP)低污染圆筒燃烧室,为了获得该燃烧室两相喷雾燃烧流场与燃烧性能,利用Fluent数值研究三种LPP燃烧室头部方案和四种进口工况.计算结果表明:(1) LPP燃烧室头部冷态流场存在中心回流区、角落回流区和唇口回流区,流场结果与PIV试验结果吻合较好.(2)在头部方案不变的情况下,工况从100％推力下降到7％推力时,出口平均温度逐渐下降,污染物NOx排放相应减少.(3)在进口工况不变时,头部方案B燃烧性能相对最优.(4)热力型NOx的生成速率与燃气温度超过1950K区域的大小和最高燃气温度直接相关,热力型NOx的生成主要分布在火焰锋面附近.     

合成气组分及雷诺数对火焰结构影响的实验研究

利用非接触的激光PLIF技术测量了在湍流贫燃预混燃烧中的OH自由基分布。以典型煤制合成气真实组分为基础进行工况设计,分为H2含量变化、CO/（CO＋CH4）相对比例变化、雷诺数变化和中低热值对比4部分进行实验。通过OH-PLIF信号分析,探讨了H2含量、CO/（CO＋CH4）相对比例和雷诺数对燃烧的影响。实验结果表明,雷诺数、H2含量和CO/（CO＋CH4）相对比例的变化对合成气燃烧过程都有显著的影响。其中雷诺数的增大和H2含量的增加都加强了OH-PLIF信号强度,即有利于火焰中OH自由基的生成。而CO/（CO＋CH4）相对比例的上升,因同时减少了CH4含量,导致OH自由基浓度下降。H2含量的升高和CO/（CO＋CH4）相对比例的上升（转折点前）对于火焰行程都有缩短的作用,强化了燃烧。转折点之后CO/（CO＋CH4）相对比例的继续上升不利于燃烧。后文对裂解气火焰瞬时图像和火焰面密度的分析印证了上述规律。     

不同当量比下氢气体积分数对甲烷-氢混合气预混火焰燃烧不稳定性的影响

在可调振幅的正弦波声场作用下,以甲烷-氢混合气预混钝体火焰为实验对象,通过火焰传递函数表征整个燃烧系统的燃烧不稳定性特征,借助CH基自发荧光图像描述火焰锋面运动及演化过程,研究了在声激励下不同当量比（0.8、1.0、1.2）下氢气体积分数的变化（0、10%、20%）对火焰燃烧不稳定的影响。结果表明: 对于当量比为0.8和1.0的预混火焰,氢气的加入使得火焰传递函数幅值增大,热释放波动变大,整体火焰的不稳定性增强;对于当量比为1.2的富燃预混火焰,随着氢气体积分数的增加,火焰传递函数幅值先减小后增加,火焰稳定性较强。      

正癸烷预混燃烧的详细反应动力学数值模拟

提出了正癸烷预混燃烧的详细化学反应机理,并对正癸烷预混燃烧过程进行了数值计算.同时,详细分析了反应物、主要生成物及多种中间组分摩尔分数的变化趋势,并分别与采用正癸烷与航空煤油为燃料的燃烧火焰的实验结果进行了对比分析.结果表明,正癸烷与航空煤油预混燃烧火焰中反应物与生成物摩尔分数的变化趋势基本一致;通过数值计算所得到的主要反应物与生成物摩尔分数的变化趋势与两种燃料(正癸烷与航空煤油)燃烧火焰的实验值基本吻合,说明该详细反应机理能很好地反映正癸烷预混燃烧过程的详细动力学特性.同时,通过反应流分析发现,正癸烷的消耗主要通过热裂解反应以及H,OH自由基的提取反应来实现.      

贫预混燃烧室化学反应器网络模型建模及不确定性分析

基于CFD三维数值模拟结果的化学反应器(CRN)网络模型方法具有快速预估燃烧室NOx排放的特点。研究通过CFD数值模拟手段获得了贫预混燃烧室流场、温度场等特征分布,基于燃料空气掺混特性、速度场、温度场、OH分布以及达姆科勒数,燃烧室被离散划分为预热区、火焰锋面区、火焰过渡区、后火焰区、中心回流区以及角回流区,建立了复杂的CRN模型表征燃烧室内部的流动特征和火焰结构。以贫预混燃烧器为对象,与实验结果进行了对比验证。通过敏感性和不确定性分析获得了反应区域停留时间和烟气回流比例等关键参数对NOx排放的影响规律。结果表明:CFD-CRN混合方法更适用于在高当量比条件下贫预混燃烧室NOx排放的快速有效预测。在相同扰动强度的条件下,反应预热区域和火焰锋面区域的停留时间扰动对CRN模型预测NOx的生成量和稳定性影响更显著。CFD-CRN混合方法应明确在较高的绝热火焰温度条件下烟气回流比的准确性计算及其对NOx生成的显著影响。      

CH4/正癸烷混合燃料燃烧特性

为研究CH4/正癸烷混合燃料的燃烧特性及燃烧稳定性,在定容燃烧弹中测量了初始压力为0.1MPa、初始温度为420K、当量比范围为0.8~1.5和甲烷摩尔分数为0~0.8时CH4/正癸烷混合燃料的火焰扩散速度、拉伸火焰传播速度、马克斯坦长度、无拉伸火焰传播速度和层流燃烧速度等,分析了甲烷摩尔分数对马克斯坦长度及层流燃烧速度等的影响。结果表明:当量比为1.3时,随着甲烷摩尔分数的增加,火焰发展末期,前锋面由网格形胞状结构发展为光滑球面,火焰稳定性增强;甲烷摩尔分数增加导致混合燃料马克斯坦长度随当量比增加而减小的趋势变慢,实验研究范围存在临界当量比,当量比小于1.2时,甲烷摩尔分数为0.8的混合燃料燃烧稳定性较差,而当量比大于1.2时,甲烷摩尔分数为0.8的混合燃料燃烧稳定性较好;当量比在1.0~1.3范围内,甲烷摩尔分数为0.2和0.4的混合燃料层流燃烧速度较快,而在实验测量当量比范围,甲烷摩尔分数为0.8的混合燃料层流燃烧速度较慢。      

O_3对射流火焰燃烧特性影响的数值研究

针对等离子放电生成O_3对燃烧稳定性的复杂影响,基于数值模拟方法研究了不同O_3浓度条件下的甲烷/空气射流火焰形态和典型燃烧组分变化规律。结果表明,O_3的强氧化性可以使燃烧反应氧化区提前,火焰向来流方向发展从而起到稳定燃烧的作用;O_3的存在能够降低火焰后方的CO浓度,加快热力型NO和快速型NO的生成速率,促进低温燃烧区内NO被氧化为NO_2,而N_2O中间体机理对O_3的影响不敏感。     

基于急速混合管状火焰技术的丙烷富氧燃烧

采用燃料与氧化剂分别切向注入柱形燃烧室的急速混合管状火焰燃烧技术，开展了丙烷富氧燃烧实验研究，重点分析了火焰结构和燃烧稳定性随氧气摩尔分数xO2的变化规律。丙烷空气实验中，急速混合获得了与预混燃烧相近的均匀稳定层流火焰。以CO2为稀释剂，利用急速混合燃烧分析了不同xO2的火焰特性。结果表明:当xO2≤0.5时，在可燃范围内可获得均匀稳定的管状火焰；xO2=0.6，火焰结构不均匀但仍为稳定层流火焰；xO2增加至0.7时，仅在低当量比下获得了稳定管状火焰，当量比为1.0附近则出现了不稳定燃烧；随着xO2进一步增加，不稳定燃烧范围扩大。实验测量了xO2≤0.4的丙烷可燃界限，相同xO2下N2为稀释剂的可燃范围比CO2的大；且在xO2低至0.125时仍能燃烧，而CO2为稀释剂时此值为0.18。      

单头部模型燃烧室燃烧组织及NOx排放

采用光学诊断与三维数值模拟结合的方式,研究了中心分级贫油预混预蒸发模型燃烧室燃烧组织与NOx生成特征。试验测量了模型燃烧室流速、燃油、OH和NO组分浓度分布。通过与试验结果对比,采用基于雷诺平均Navier-Stokes方程的方法对流场的预测误差为13.9%,喷雾张角预测误差为6.0%,预测的OH和NO组分分布特征与试验测量结果基本一致。数值结果表明,在单头部模型燃烧室中,主、预燃级火焰以弱耦合的方式组织燃烧,且大部分NO在预燃级高温区域生成。燃油分级比的变化（0.15～0.30）不影响燃烧室流动与火焰分布特征,但对燃烧室出口NOx生成量有一定影响,NOx生成量随着分级比增大而减少。     

弱旋流燃烧器流场特征和污染排放研究

弱旋流燃烧技术具有极低的NOx污染排放能力,是未来燃气涡轮发动机低排放贫油预混燃烧组织方案之一。为了深入理解弱旋流流场特征和燃烧稳定性,建立了采用弱旋流燃烧器的试验装置,设计了不同几何尺寸的叶片式旋流器,采用PIV以丁烷为燃料获得了稳定的弱旋流火焰,采用激光诱导荧光技术测量了火焰结构,火焰中具有明显的局部熄火和再点火区域。在不同来流条件下开展了火焰稳定范围研究,确定了燃烧器的火焰抬升和贫油熄火油气比,燃烧器共呈现了三种不同的燃烧模式:附着火焰、"W"型火焰和"U"型火焰。采用燃气分析仪测量了燃烧器的污染物排放,所有状态下NOx排放低于10ppm。     

基于燃烧室多反应器模型的民用涡扇发动机排放预测

选用燃油JetA为航空燃料,建立了简化火焰锋面模型、燃烧化学平衡模型、燃烧动力学模型、燃油雾化模型、燃油蒸发模型及污染排放生成模型.采用基于燃烧室多反应器模型对发动机在不同工作状态下的排放产物NOx、未燃碳氢化合物(unburned hydrocarbons,UHC)和CO进行了计算.结果表明:燃烧室内火焰温度越高,NOx排放量越大.在发动机工作在低转速工况下时,燃油液滴的雾化直径大,造成CO与UHC排放量增加.基于燃烧室多反应器模型计算通用性强、速度快,适合与发动机性能程序相结合,在发动机设计阶段对发动机不同工作状态下的排放产物含量进行预测计算.     

燃料掺氢对船用天然气发动机燃烧和排放的影响

为研究船用天然气发动机气体燃料中掺入不同比例氢气对燃烧和排放的影响。运用改装的氢气-天然气-柴油三燃料混烧发动机进行台架实验,测试对比负荷特性下掺氢比为0%、5%、10%、15%四个工况发动机排放物中CO、CO2、NO、NOx、烟温等数据,然后针对掺氢比分别为0%、5%、10%、15%、20%、25%的六个工况,运用CHEMKIN-PRO模拟计算点火延迟时间和层流火焰速度。结果显示,随着氢气比例增加,缸内燃烧点火延迟时间缩短,缸内最高温度升高,层流火焰速度增快,掺氢比对NOx排放影响不明显,相同输出功率下掺氢比高的工况CO排放更低,燃料掺氢工况CO2排放低于纯天然气工况。研究认为,燃料掺氢有助于改善船用LNG动力发动机的燃烧和排放,具有较大的研究和应用前景。     

癸酸甲酯与正丁醇在低速柴油机中均质压燃燃烧与排放

通过向生物柴油替代燃料癸酸甲酯(MD)中掺入一定比例的正丁醇(NBA),达到降低氮氧化物（NOx）排放的目的。针对二冲程低速船用柴油机,建立了癸酸甲酯和正丁醇的混合燃料燃烧反应机理,并将Zeldovich氮氧化物反应机理作为子机理添加到燃烧反应机理中。构建出一个包含癸酸甲酯,正丁醇和详细的氮氧化物反应的完整燃烧反应机理。在燃料总摩尔分数一定的条件下,固定发动机转速与空气过量系数,将癸酸甲酯与正丁醇按不同比例进行混合,研究癸酸甲酯与正丁醇混合燃料在二冲程低速船用柴油机充量均质压燃（HCCI）模式下的燃烧与氮氧化物排放特性。结果显示,癸酸甲酯与正丁醇混合燃料HCCI燃烧产生的氮氧化物随正丁醇掺混比例的增加而减少。研究表明,在燃料总摩尔分数保持不变时,随着正丁醇混合比例的增加,燃料总热值减少,排气温度和缸内最高燃烧温度降低,对氮氧化物的生成有抑制作用,氮氧化物反应速率降低,排放量下降。同时,由于正丁醇掺混比例的增加导致混合燃料的C/H比下降,可以有效地降低燃烧过程中CO2的排放。在保证发动机燃烧效率的条件下,癸酸甲酯和正丁醇的混合比例为1:1时,混合燃料在二冲程低速船用柴油机中HCCI燃烧的NO与NO2排放量最低。     

基于射流搅拌燃烧反应器加压条件下的航空煤油燃烧NOx排放

为了研究碳氢燃料燃烧产物NOx的排放,构建了射流搅拌燃烧反应器(JSCR)试验系统,并经过了初步验证.随后利用该试验系统对航空煤油RP-3的燃烧NOx排放进行了测试,射流搅拌燃烧反应器内压力为2×105 Pa和3×105 Pa,进口温度为650K,当量比范围为0.5~1.2.研究结果表明:在当量比为0.5~1.2范围内,航空煤油燃烧NOx排放先随当量比的增大而增多,在当量比为0.95附近达到最大值,随后减少;NOx排放随压力的增大而增多.同时,验证了该射流搅拌燃烧反应器可作为研究碳氢燃料燃烧产物的基础试验平台.     

壁面微通道冷却对旋流燃烧室性能影响实验

为了探索微通道高效换热技术在低污染燃烧室壁面冷却中的应用,实验研究了壁面微通道冷却对模型旋流燃烧室性能的影响。结果表明:微通道结构对燃烧室热壁面具有显著的冷却效果,在雷诺数小于350时,雷诺数增加对壁面冷却有明显提升作用,在雷诺数大于350后,雷诺数的增大对冷却效果提高的促进作用减小；雷诺数增大对相同进气工况下CH*化学发光信号表征的火焰时均结构几乎不产生影响,但在个别工况下会使火焰产生黄色火星,甚至间歇地产生黄色火焰,带来不完全的燃烧；雷诺数增大会增强微通道对流换热程度,加大壁面传热速率,加剧火焰和微通道换热间的相互作用,使火焰表面发生较大的热量损失,最终造成CO排放量增加,NOx排放量降低,并使整体燃烧效率下降。      

燃料喷口位置对燃烧室污染物生成性能影响

对一种使用中低热值生物质气的干式低排放（DLE）微型燃气轮机燃烧室开展了研究,对燃料喷嘴口在不同位置时的污染物生成特性进行了实验测试和数值模拟,获得了喷口位置对燃料与空气的混合均匀性、NOx生成特性的影响规律。结果表明:调节燃烧室的燃料分配比例、燃料喷口位置对燃烧室的排放特性会产生影响,存在一个使NOx排放最低的燃料分配比例;燃料与空气混合的均匀性是影响NOx生成的主要因素之一;NOx主要在值班燃烧区中产生,调整值班级喷口喷射方式可以使NOx质量浓度降至7.6 mg/m3。      

初始温度对CH4/RP-3航空煤油混合燃料层流燃烧特性的影响

采用定容燃烧实验装置对初始压力为0.1MPa、当量比为0.7~1.5、甲烷体积分数为0、0.4和0.8，以及3种初始温度工况下，CH4/RP-3航空煤油混合燃料层流燃烧特性进行实验研究。获得混合燃料火焰发展图片、层流燃烧速度和马克斯坦长度等,并分析初始温度对CH4/RP-3航空煤油混合燃料层流燃烧速度及燃烧稳定性的影响。结果表明,当火焰拉伸率趋于0时,非线性拟合方法NLM2(nonlinear fitting method 2)能够准确预测拉伸火焰传播速度随火焰拉伸率变化规律,外推可获得较为准确的无拉伸火焰传播速率。初始温度对稀混合燃料火焰传播速度的影响较大,而对化学当量比和浓混合燃料火焰传播速度的影响较小。3种甲烷体积分数混合燃料的层流燃烧速度均随初始温度增加而增加。当初始温度为420K时,马克斯坦长度随当量比减小最快,而当初始温度为480K时,马克斯坦长度减小最慢。在稀混合气和化学当量比工况,随着初始温度增加,混合燃料马克斯坦长度减小,混合燃料燃烧稳定性变差,而在浓混合气工况,各初始温度马克斯坦长度趋于一致,此时,初始温度增加对燃烧稳定性影响较小。      

液氧/甲烷同轴喷雾及火焰稳定的试验

介绍了液氧和气态甲烷的低温同轴喷雾燃烧试验,试验使用了光学诊断方法如阴影法和火焰分光光谱法记录了试验中的喷雾和火焰信息,讨论了不同燃烧室压力和喷注无量纲数如韦伯数(We)和气液动量流率比下的雾化和火焰稳定情况。试验结果表明,燃烧室压力对射流雾化和火焰稳定有显著影响,增加燃烧室压力有利于火焰稳定于靠近喷注器面的地方,研究中没有发现火焰吹离距离和韦伯数之间有明显的关系式。液氧射流核心长度随气液动量流率比的增大而下降。雾化质量对液氧/甲烷同轴喷雾的火焰稳定性有明显的影响。     

液氧/甲烷火焰和燃烧不稳定性试验

为了解液氧/甲烷火焰在外界扰动作用下的表现,增进对燃烧不稳定性的理解,分别对两种喷剪切同轴式喷嘴结构进行了试验,试验采用单喷嘴矩形模型燃烧室,液氧以液态从中心喷嘴喷注,甲烷以气态从同轴的环形腔喷注。试验中,压力调节装置上的齿轮间断性地堵住和打开安装在燃烧室底部和主喷管旁边的辅助喷管出口,分别向燃烧室输入高频扰动。采用高速照相机记录火焰的OH辐射量,并采用阴影和纹影技术记录液氧的喷雾过程。试验成功激发起了燃烧室一阶横向和一阶纵向振型,在高频扰动作用下,还产生了两次强低频振荡。讨论了分离火焰的特征及其液氧射流在外界扰动作用下的表现和影响参数。