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。     

导流片结构参数对先进旋涡燃烧室性能影响研究

为了研究带导流片的先进旋涡燃烧室燃烧及流动性能,对导流片不同结构参数下燃烧室的流场分布、温度分布、总压损失、燃烧效率及污染物排放进行了数值模拟。结果表明,带导流片的先进旋涡燃烧室性能表现出明显的优越性,能够在不依赖凹腔射流的情况下形成理想的双旋涡结构,有利于增强凹腔稳焰及燃气掺混,大幅度提高燃烧效率,改善出口温度分布,降低NO排放。导流片结构参数对燃烧室性能影响呈现出一定的规律。当导流片伸入凹腔的长度与前钝体高度之比(a/B)为0.2,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(b/H)为0.4,导流片到前钝体后端面的距离与凹腔长度之比(c/L)为0.1~0.2时,燃烧室在贫燃条件下可以实现低压降、低污染的稳定燃烧,而且出口温度分布均匀。     

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.      

横向射流对凹腔湍流特性影响的数值模拟

为拓宽先进旋涡燃烧室运用领域,探索横向射流与先进旋涡燃烧室凹腔之间的相互作用,采用数值模拟方法,研究了燃料横向射流对凹腔内旋涡结构和燃料分布的影响,以及射流对燃烧室湍流燃烧流动的作用规律。结果表明,冷态射流时,凹腔内湍流强度随射流中心距凹腔的距离增大而增大,且旋涡结构逐渐趋于均匀稳定对称;横向射流可加强燃料与空气的卷吸混合,同时加剧凹腔内质量扩散输运;射流燃烧时,凹腔内可形成高温区域,但旋涡流场由冷态时的两对旋涡结构转变为单对旋涡结构,且旋涡相对不稳定。     

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.      

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。     

AVC流动与燃烧特性分析

本文应用三维数值模拟方法,研究了应用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。     

先进旋涡燃烧室后钝体开口结构的数值研究

为了研究不同后钝体开口结构对先进旋涡燃烧室(AVC)流场的影响,分别对不同开口角度和开口尺寸的AVC流场进行了数值模拟。结果表明,后钝体开口比不开口有明显的优势,可通过选择合适的后钝体开口角度和开口尺寸来优化AVC,实现低压降的稳定燃烧。后钝体开口结构AVC可有效提高凹腔温度并使温度分布更加均匀。对于本文AVC结构的后钝体,半开口角度θ为50°,开口尺寸为2mm时,AVC综合性能最佳。     

并联凹腔火焰稳定器超声速燃烧特性实验研究

为研究并联凹腔火焰稳定器的超声速燃烧特性,通过在凹腔上游喷注乙烯,采用单边扩张型燃烧室在当量比φ=0.43~1.07内进行了一系列直连式燃烧试验。模型燃烧室入口参数为Ma=3.46,总温Tt=1430K。基于燃烧室壁面静压分布、推力增益、燃料比冲和燃烧流场的可见光与纹影图像分析了并联凹腔在不同当量比下的火焰结构、流场特征和燃烧性能。结果表明,上、下壁面凹腔附近的流动条件差异显著,燃烧过程与当地流动条件之间的强烈耦合作用使得燃烧室内火焰分布显著不对称。发动机燃烧性能对当量比十分敏感,壁面静压水平和推力增益随当量比增加持续升高,但φ=0.43~0.62时的增加速率远大于φ=0.76~1.07时的。φ=0.43~0.62时,燃料比冲和燃烧效率随当量比增加而升高;而φ=0.76~1.07时,燃料比冲和燃烧效率随当量比增加而降低。     

基于涡流发生器原理的先进旋涡燃烧室燃烧特性研究

为了研究基于涡流发生器(VG)射流原理的先进旋涡燃烧室(AVC)燃烧及流动性能,对不同射流参数(射流前倾角α、侧倾角β、射流孔径D及射流比R)时燃烧流场进行了数值模拟。结果表明,基于涡流发生器射流原理的AVC性能优于传统射流AVC。增大α及β,可以提高燃气掺混率,增大凹腔中心湍流度,并使更多的热能转化为燃烧室出口动能,但是总压损失明显增大。增大侧倾角β可使凹腔内高温分布更均匀。随着射流孔径D及射流比R的增大,燃烧室整体温度分布先增大后减小。当α=60°,β=60°时燃烧室能够在贫燃条件下实现高温、低压降、低污染的稳定燃烧。     

环形中心钝体驻涡燃烧室驻涡腔有无喷射的对比

采用三维雷诺平均Navier-Stokes(N-S)方程、renormalization group (RNG) k-ε湍流模型和标准壁面函数对驻涡腔有无喷射的环形中心钝体驻涡燃烧室的冷态流场进行了数值仿真,分析了驻涡腔有无喷射对环形中心钝体驻涡燃烧室涡系结构、驻涡腔流动参数和燃烧室总体性能的影响.结果表明:相比于无喷射时,驻涡腔添加喷射可以使驻涡腔内形成相对稳定的双驻涡结构;驻涡腔喷射的存在使得环形中心钝体驻涡燃烧室出口截面总压损失系数降低约9.2%,并能提高驻涡腔内的平均气流参数;驻涡腔喷射对环形中心钝体驻涡燃烧室出口截面流动参数沿流道高度方向的变化趋势影响不大.      

受限空间预混钝体稳定与抬升火焰激光诊断

在受限空间预混钝体燃烧器中,利用OH-PLIF （平面激光诱导荧光）、PIV （粒子图像测速）和瑞利散射测温技术实验研究了火焰结构、流场和温度场之间的相互影响关系。对比分析了贫燃稳定与富燃抬升状态下甲烷/空气预混火焰的燃烧场特性。实验结果表明：火焰结构、流场和温度场分布之间均存在直接联系。贫燃（当量比为0.8）火焰钝体上方为膨胀的高温低速回流区,利于火焰维持稳定;富燃（当量比为1.2）火焰倾向在受限空间出口与外界空气卷吸后着火,其钝体上方为类似冷态的低速低温回流区,无法点燃混合气,因而形成抬升火焰。分析各场局部分布信息获得火焰场间相互依赖规律：钝体火焰中,高温和低速对应已燃区,低温和高速对应未燃区。     

贫燃预混旋流火焰PIV和OH-PLIF瞬态同步测量

为了研究贫燃预混旋流火焰流场与火焰结构特性,设计了强受限预混旋流燃烧器,搭建了PIV(粒子图像测速)和OH-PLIF(平面激光诱导荧光)瞬态同步测量系统。针对典型贫燃工况开展了瞬态同步测量研究,获得了多个截面的瞬态和时均流场速度和OH分布信息。研究表明:低当量比不稳定燃烧工况下,伴随着角涡回火现象,燃烧室底部角落存在明显火焰反应区;由于旋流拉扯效应导致OH分布结构边缘产生褶皱,并出现多个OH“孤岛”;旋流火焰外沿位于喷嘴射流的内侧剪切层;增加当量比,火焰流场结构与反应区分布与低当量比类似,但燃烧更稳定,火焰高度有所增加;内部回流区的经典双涡结构分裂为多个旋涡,存在旋涡进动、破碎的现象。     

Experimental study of entrainment phenomenon in a trapped vortex combustor

Trapped vortex combustor (TVC) is an advanced low-pollution gas turbine combustor, with the adoption of staged combustion technique. To achieve low-pollutant emission and better combustion performance, the proportion of the air flow in each combustion zone should be precisely determined in the design of the combustor. Due to the presence of entrainment phenomenon, the total air flow in the cavity zone is difficult to estimate. To overcome the measurement difficulty, this study adopts the indirect measurement approach in the experimental research of entrainment phenomenon in the cavity. In accordance with the measurement principle, a TVC model fueled by methane is designed. Under two experimental conditions, i.e. with and without direct air intake in the cavity, the influence of the mainstream air flow velocity, the air intake velocity in the cavity, the height of inlet channel, the structure of holder and the structural proportion of the cavity on entrainment in the cavity is studied, respectively, through experiment at atmospheric temperature and pressure. The results suggest that the air flow velocity of mainstream, the air intake velocity of the cavity and the structure of the holder exert significant influence on the air entrainment, while the influence of structural proportion of the cavity is comparatively insignificant. The square root of momentum ratio of cavity air to mainstream air could be used to analyze the correlation of the entrainment data.     

航空涡轮发动机燃烧室内流场的PIV测量

设计了一种基于旋风分离原理的高压粒子发生器，并成功应用于高压状态下的航空涡轮发动机燃烧室内流场的PIV（粒子图像测速法）测量.在氢氧燃烧加热来流温度为813K、燃烧室压力为2.78MPa条件下，应用PIV技术开展了航空涡轮发动机单头部燃烧室复杂内流场测量研究，实现了高温高压条件下强旋流、强扰流、宽速域流场的PIV测量，获得了接近燃烧室工作压力工况下的流场速度和流场精细结构.结果表明:该型燃烧室内流场存在多处旋涡结构，形成回流区；流场旋流作用强，横截面流场存在顺时针大涡；主燃孔射流和掺混孔射流作用明显，射流穿透深度较大，对流场结构影响显著；高温高压状态下，流场结构与常温中压状态类似.      

某驻涡燃烧室性能数值模拟

设计了适用于某驻涡燃烧室模型的喷油杆,对该喷油杆进行了冷态雾化试验,在不同的气液比、不同的气体和液体压力下研究了喷油杆的雾化性能.通过计算流体动力学(CFD)方法对驻涡燃烧室进行了冷态和热态的数值模拟,得到了燃烧室内部的速度场、温度场和质量分数分布.计算结果表明:该燃烧室设计合理,结构紧凑,燃料燃烧充分,凹腔试验件的壁温分布较为理想.得到了总压损失和出口温度分布的变化规律:燃烧室的总压损失略偏大,出口温度分布较为均匀.并对出口温度分布的规律进行了试验验证,研究结果可以为驻涡燃烧室的工程应用提供参考.      

节流盘对超紧凑燃烧室性能影响的数值研究

为进一步理解节流盘对主次流轴向进气超紧凑燃烧室性能的影响,基于Cot t le超紧凑燃烧室原型结构,采用计算流体力学的方法探究了燃烧环内旋流涡流燃烧的组织原理以及节流盘对旋流涡流燃烧特性及出口温度特性的影响。结果表明:节流盘可提高燃烧环内混气的离心加速度,加快火焰传播速度;节流效应导致的低压区可增大高温燃气径向迁移速度,增强高温燃气与核心流的掺混,改善燃烧室出口温度分布特性;燃烧环内存在涡流燃烧,节流盘可扩展燃烧涡的尺寸,提高火焰稳定性。     

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.     

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。