先进旋涡燃烧室流动与燃烧特性分析

应用三维数值模拟方法,研究了应用先进旋涡燃烧室(AVC)概念设计的燃烧室流动和燃烧特性.研究结果表明:AVC的总压损失系数、燃烧效率、旋涡结构和燃烧稳定性以及污染物排放,受前后钝体形成的凹腔结构内的气流喷射位置、喷射角度和主气流当量比的影响,其中受凹腔结构内的气流喷射位置影响最大.      

氢燃料先进旋涡燃烧室流动和燃烧特性

为了对整体煤气化联合循环(IGCC)燃气轮机的氢燃料先进旋涡燃烧室(advanced vortex combustor,AVC)结构设计提供理论依据,应用实验和数值模拟相结合的方法对AVC气流流动特性受燃烧室几何参数影响规律进行研究,在此基础上,确定氢燃料AVC内前、后钝体合理的布置方式.应用19步氢气和空气详细化学反应机制,对氢燃料AVC流动和燃烧特性进行数值模拟研究,结果显示:氢气和空气预混和气体主气流当量比为0.65时,在前、后钝体之间形成的凹腔内无喷射气流条件下,燃氢AVC能够形成稳定燃烧,出口温度被控制在1950K以下,总压损失系数为2.7665%,燃烧效率为99.54%.相对于凹腔内无喷射气流,凹腔内有喷射气流的AVC旋涡在z轴方向分层有序、结构更加稳定,但不同xy截面上温度分布不同,导致出口截面温度分布不均匀,总压损失系数略有增大,燃烧效率提高了.      

环形先进旋涡燃烧室流动、燃烧和污染物排放特性

为了给先进旋涡燃烧技术实际应用提供理论依据,采用实验和数值模拟相结合方法,对环形先进旋涡燃烧室流动和燃烧特性开展研究。首先采用粒子图像测速技术,对三对钝体布置先进旋涡燃烧室,进行冷态流动特性实验。在此基础上,对燃氢螺旋布置18对钝体的环形先进旋涡燃烧室的燃烧特性,开展了数值模拟。结果表明:(1)有后钝体存在,可以抑制气流在前钝体后面形成旋涡脱落,从而减小了流通气流的流动阻力;(2)在凹腔喷射气流的作用下,相对于无喷射条件下凹腔内形成的旋涡结构拉长,而且占据了整个凹腔;(3)随着主气流当量比增加,流经环形AVC气流在前、后钝体间的凹腔内的旋涡结构更加趋于对称,出口平均温度、燃烧效率、NOx质量分数和总压损失系数也增大,出口温度分布系数减小。(4)喷射角在45°范围内,随着喷射角的增加,燃烧效率和出口平均温度增加,NOx质量分数、总压损失系数和出口温度分布系数减小。     

凹腔前缘角对超声速燃烧室性能的影响

针对带有不同前缘角的凹腔内流动和燃烧过程,分别在冷态和燃烧条件下探讨了前缘角对凹腔内流动损失及阻力特性的影响.研究表明:在壁面垂直喷射的喷口上游和凹腔内部均会形成低速、高温回流区,有利于点火及火焰稳定,燃烧反压通过边界层的亚声速区域上传,形成激波/边界层干扰结构.减小前缘角,可使剪切层分离位置提前,更偏向凹腔内部,导致凹腔后壁面再附激波增强,进而增大了总压损失,降低了总压恢复系数;亦可导致凹腔前、后壁面压差阻力增大,阻力系数上升.进一步认识了凹腔内部流场及稳焰增混机理,进而为优化凹腔结构设计提供依据.      

凹腔底壁喷射位置的数值模拟与试验

为探究凹腔底壁不同喷射位置对碳氢燃料的燃烧性能的影响,在直联式超燃试验台上进行了凹腔底壁不同喷射位置的气态燃料(乙烯)、液态燃料(煤油)以及气泡雾化煤油(起泡气体为氢气、空气、氮气)的超声速燃烧试验。并针对凹腔底壁不同位置喷乙烯进行了数值仿真。通过分析燃烧室壁面压力与数值模拟结果得到:凹腔底壁不同喷射位置对气态燃料的点火性能影响不大,燃烧性能随喷点位置的后移下降。煤油通过靠近凹腔前缘的喷孔喷入可顺利点火,而通过靠近后缘的喷孔无法实现点火。应用氢气作为起泡气体的气泡雾化喷嘴后,实现了所有喷点的点火,但随着喷点位置的后移,煤油的燃烧性能下降。     

凹腔喷射超声速燃烧火焰结构实验研究

为加深对凹腔喷射超声速燃烧火焰结构的认识,利用OH基自发辐射成像和PLIF技术对凹腔上游横向喷注氢气的超声速燃烧流场进行研究.结果表明,火焰主要分布在凹腔剪切层附近及喷流内部,喷口附近没有火焰;燃料喷注当量比、燃料喷注位置及凹腔构型对火焰分布和火焰强度影响较大,在设计燃烧室时应加以考虑.     

超燃冲压发动机多凹腔串联燃烧室阻力研究

在直连式试验台上,采用等截面燃烧室对多个凹腔同侧串联布置的燃烧室的阻力进行了试验研究。分析了凹腔深度分别为10、15和20mm,凹腔长深比分别为5和7的不同凹腔组合、凹腔顺序、凹腔距离和凹腔数目在不同燃料当量比下的燃烧室内阻。研究结果表明,在同一燃料当量比下,燃烧室内串联凹腔数目越多,阻力越大,单个阻力较大的凹腔组合后总阻力较大;燃料喷射方式和当量比对燃烧室阻力变化规律影响较大,在小当量比时氢气燃烧放热将可能增加燃烧室内阻;相同当量比和燃料喷射方式下,氢气比煤油燃烧时阻力大;在合适的当量比和燃料喷射方式下煤油燃烧时组合凹腔可能产生正推力。     

基于支板凹腔结构的超燃燃烧室数值研究

为探究基于支板凹腔结构的超燃燃烧室性能,在超声速来流条件下,采用带中心支板且凹腔长高比为7.5的三维超燃燃烧室模型,针对支板阻塞比、扩张段扩张角、不同燃料喷射方式以及不同燃料当量比对燃烧室相关性能的影响进行了数值研究。研究发现:支板阻塞比会对隔离段内的激波分布以及支板后缘速度分布产生明显影响,而扩张段扩张角会影响超声气流在燃烧室出口的膨胀状态;采用壁面以及中心喷注支板同时喷油方式在保持高燃烧效率的同时会扩大整个燃烧室的燃烧区域;当采用单独壁面喷油方式时,凹腔内静温分布会随着当量比的变化发生相应的改变,同时会在当量比为0.51~0.74时达到相对较高的燃烧效率。     

凹腔燃烧截面波系及温度场同步显示研究

凹腔作为超声速燃烧室的典型构型,对燃烧状态下的相关物理量进行准确诊断,有利于定量分析和研究超声速燃烧的机理。相对此前采用激光纹影等通程积分密度场显示方法,研究设计了一套锐聚焦深度小于1mm的激光聚焦纹影,用于显示凹腔截面的燃烧流场波系结构;同时利用羟基平面激光诱导荧光（OH-PLIF）和聚焦纹影同步诊断同一截面的温度场和密度场。试验结果表明,所显示截面内的波系结构清晰,得到了更多流场细节,同时也标记出了该截面内氢气燃烧状态,二者具有较好的一致性。该同步诊断结果可以更好地了解剪切层在燃烧室的运动及燃烧发展轨迹,以及不同参数的氢气喷射对剪切层和燃烧状态的影响等。获取同一截面的波系结构和燃烧状况的同步数据,对于研究燃料喷射以及凹腔燃烧等具有一定的参考价值。     

凹腔稳定的超声速火焰结构的实验研究

凹腔是高湍流度超声速燃烧的火焰稳定装置。为研究其尺寸结构及喷注位置对不同燃料燃烧性能的影响,设计了不同凹腔、不同位置横向喷注的氢及乙烯的超燃实验,拍摄了凹腔内OH.基与CH.基自发辐射火焰图像。并利用非线性分形的研究方法,分析了火焰分形维数与燃烧程度及火焰稳定性的关系。用大涡模拟方法对二维凹腔氢超燃流场进行了数值仿真,分析了凹腔流场结构,并对凹腔后缘压力时间序列进行了相空间重构,计算了其分形维数。实验及仿真结果均表明:燃烧的分形维数高时,燃料与空气接触充分,燃烧剧烈,易于火焰稳定。     

驻涡燃烧室凹腔供油位置对流场影响的PIV实验

采用PIV(particle image velocimetry)技术,对凹腔供油位置不同时凹腔内的冷态流场进行对比研究.通过分析不同来流速度对腔内涡的形成及其稳定性的影响,从而研究不同供油位置对涡稳定的影响.实验表明,供油位置在凹腔前体,油气掺混孔处的射流对涡有破坏,供油位置在凹腔后体,油气掺混孔处射流对涡没有破坏作用,在不考虑供油方式等因素的情况下,凹腔后体供油优于凹腔前体供油.研究结论可为该驻涡燃烧室进一步的热态燃烧性能实验研究提供依据.      

用PIV技术研究四角切圆锅炉燃烧器区冷态燃烧流场的湍流积分尺度

四角切圆锅炉内煤粉的燃烧过程对提高锅炉运行效率及NOX减排有着显著的现实意义。通过搭建四角切圆锅炉冷态模型,利用粒子成像测速技（Particle Image Velocimetry）,采用空间相关分析方法,针对燃烧器区四角射流复杂湍流的涡拟序结构,开展基于湍流积分尺度来表征的3个典型水平层面涡尺度分布规律研究。通过对湍流积分尺度和时均速度的相关分析研究,认为冷态燃烧器区湍流涡尺度分布不仅与风口流速相关,同时还与风层位置密切相关,并不与风口流速呈线性变化规律,上一次风层涡尺度分布与其它两个风层的相比存在很大差异,因此湍流积分尺度的研究对煤粉高效洁净燃烧具有一定的理论指导意义。     

等离子体助燃下超燃支板燃烧室燃烧特性数值研究

为了将支板喷注器与等离子体射流这两种促进超声速燃烧室燃烧的方式结合起来,设计了一种带有等离子体射流喷孔的支板燃烧室,并在超声速来流的条件下,针对燃料喷注总压、燃料喷注位置、等离子体射流介质、等离子体射流总压对燃烧室燃烧性能的影响进行了三维数值模拟。研究发现:增大燃料的喷注总压,燃烧室的燃烧范围明显增大,燃烧效率呈现出先增大后减小的趋势,在燃料喷注总压为2.0MPa时,燃烧效率达到最大值90.4%;不同的燃料喷注位置对燃烧室的燃烧范围影响较小;等离子体射流介质为O2时,燃烧效率最高,燃烧范围最广;提高等离子体射流的喷注总压,能够提升凹腔剪切层高度,有效促进燃烧,但同时也带来了更高的总压损失。     

微波增强滑移电弧等离子体辅助超声速燃烧

为了研究微波增强滑移电弧等离子体对超声速燃烧火焰结构的影响，在超燃冲压发动机直连式实验台发动机模型加装了微波和滑移电弧结构，进行了超声速稳定燃烧实验。以单级凹腔作为火焰稳定器，燃烧室来流马赫数为2.5，常温乙烯从壁面横向射流，燃料射流点之前放置滑移电弧电极，凹腔对侧馈入2.45 GHz的微波。研究表明，在超燃冲压发动机燃烧室内滑移电弧同样遵循放电和扩展的周期特性，由于气流流速极高，滑移电弧周期约达125 kHz。等离子体的加入使燃烧室预燃激波串前移，火焰的起始和稳定位置从凹腔剪切层向燃料射流前部转移，超声速火焰燃烧速率提高。与单一的微波或滑移电弧等离子体增强燃烧方法相比，微波与滑移电弧的结合可在较低的能耗下，实现与高功率微波等效的效果。微波增强滑移电弧等离子体能够对超声速燃烧起到稳定作用。     

驻涡燃烧室驻涡区涡系特点数值模拟

为深入了解驻涡燃烧室凹腔内流场的涡系分布特性,采用FLUENT对不同驻涡区前进口堵塞比和不同燃烧室入口速度的驻涡区流场进行计算,分析典型截面压力场和流线图,研究驻涡区涡系特点.结果表明:不同纵截面旋涡特点不同,主流被联焰板堵塞的凹腔纵截面只有主涡,为稳定点火和火焰稳定提供条件;不同横截面的旋涡差别较大,离驻涡区前壁越远的截面涡心距越大,贴近前壁和后壁的截面均无旋涡;燃烧室入口速度对轴向中间截面的旋涡结构无影响,而前进口堵塞比对旋涡结构影响较大.     

旋流数对分层旋流流场影响的大涡模拟研究

为了深入理解分层旋流流场特征和燃烧稳定性,采用OpenFOAM对分层旋流燃烧器的冷态和燃烧流场进行了大涡模拟。研究了旋流数对分层旋流流场结构和非稳态特性的影响。采用Q准则显示了流场中的瞬时涡结构;利用功率谱分析了流场中的进动特征。结果表明：在冷态工况下,旋流对回流区的位置和大小影响较小。随着旋流数增大,出口气流受到旋流诱导的离心作用,流动发散,流场扩张角变大,流场下游出现二次回流区。平均流场的三维流线与螺旋涡在空间中均表现成正交关系,表明螺旋涡是由剪切层Kelvin-Helmholtz不稳定性产生。在燃烧工况下,随着旋流数增大,回流区的面积增大,平均温度分布不断沿径向扩张,火焰锋面脉动增强,涡旋发生破碎的位置明显向上游移动。     

导流片结构参数对四通道环形进气先进旋涡燃烧室性能影响

四通道环形进气先进旋涡燃烧室（AVC）上下两个通道具有冷却燃烧壁面、中间两通道的靠近燃烧室轴线的通道面积小,在贫油燃烧时,一定程度上可充当值班火焰通道的作用。以导流片到前钝体上端面的距离与燃烧室进气通道高度之比 a/E、导流片伸入凹腔的长度与前钝体高度之比 b/H、导流片到前钝体后端面的距离与凹腔长度之比 c/L 为研究对象进行数值模拟,并分析导流片结构参数 a/E、b/H、c/L 不同时燃烧室的流场分布、涡结构、总压损失、燃烧效率。结果表明：随着 a/E 增大,燃烧效率不断提高,但总压损失系数也增大;b/H、c/L 对 AVC 性能的影响较小;当 a/E=0.3、b/H=0.4 及 c/L=0.2 时,燃烧室性能达到最佳;引入导流片后,凹腔内形成稳定的双旋涡结构,凹腔稳焰及燃气掺混有所增强,总压损失较小的同时燃烧效率大幅度提高。     

流向旋涡强化混合技术的试验研究

针对冲压发动机燃烧室中氢燃料的燃烧特点,设计了一种流向旋涡发生器（Ｓｔｒｅａｍ－ｗｉｓｅＶｏｒｔｅｘＧｅｎｅｒａｔｏｒｓ,简记作ＳＶＧｓ）型强混稳焰器,并与传统的Ｖ型稳焰器作比较。冷态试验与热态试验的结果都揭示,这种新型稳焰器有较高的燃烧效率和较低的总压损失,性能强于Ｖ型稳器。在ＳＶＧｓ稳焰器中引入了方孔射流,试验证实,其混合效果强于圆孔射流。