CFD Study of NO_x Emissions in a Model Commercial Aircraft Engine Combustor

Air worthiness requirements of the aircraft engine emission bring new challenges to the combustor research and design. With the motivation to design high performance and clean combustor, computational fluid dynamics (CFD) is utilized as the powerful design approach. In this paper, Reynolds averaged Navier-Stokes (RANS) equations of reactive two-phase flow in an experimental low emission combustor is performed. The numerical approach uses an implicit compressible gas solver together with a Lagrangian liquid-phase tracking method and the extended coherent flamelet model for turbulence-combustion interaction. The NOx formation is modeled by the concept of post-processing, which resolves the NOx transport equation with the assumption of frozen temperature distribution. Both turbulence-combustion interaction model and NOx formation model are firstly evaluated by the comparison of experimental data published in open literature of a lean direct injection (LDI) combustor. The test rig studied in this paper is called low emission stirred swirl (LESS) combustor, which is a two-stage model combustor, fueled with liquid kerosene (RP-3) and designed by Beihang University (BUAA). The main stage of LESS combustor employs the principle of lean prevaporized and premixed (LPP) concept to reduce pollutant, and the pilot stage depends on a diffusion flame for flame stabili-zation. Detailed numerical results including species distribution, turbulence performance and burning performance are qualita-tively and quantitatively evaluated. Numerical prediction of NOx emission shows a good agreement with test data at both idle condition and full power condition of LESS combustor. Preliminary results of the flame structure are shown in this paper. The flame stabilization mechanism and NOx reduction effort are also discussed with in-depth analysis.     

第2级径向旋流器旋流数对燃烧室点火和贫油熄火性能的影响

双级旋流器是航空发动机燃烧室头部产生回流区所采用的主要形式,研究主要考察第2级径向旋流器的旋流数对点火与燃烧稳定性能的影响,数值模拟结果能够较好地匹配第2级径向旋流器设计参数.试验研究表明:第2级径向旋流器旋流数的改变对燃烧室点火性能无影响;但减小该旋流数会对贫油熄火性能产生明显地改善,旋流卷吸效果会影响回流区火焰稳定.减小第2级径向旋流器旋流数,使下游卷吸量增加,回流区流动与火焰匹配更好,更有利于燃烧稳定性的提高.      

双涡/贫油驻涡燃烧室的贫油熄火特性试验

对在燃烧室进口高速气流条件下工作的贫油双涡结构驻涡燃烧室,通过改变主流马赫数与温度和改变其凹腔几何尺寸进行贫油熄火性能试验.试验结果表明:①随着主流马赫数的增加,贫油熄火余气系数减小,主流速度是影响贫油熄火性能的最主要因素.②主流温度的升高对拓宽燃烧边界有利,但是在达到600K后,对贫油熄火余气系数的影响逐渐减弱.③双涡试验件后体进气量的增加可以使贫油熄火性能变差.④不同凹腔宽深比对贫油熄火余气系数的影响很大,综合各个试验件结果,深宽比为0.88的双涡试验件的贫油熄火性能最好.      

自稳火双旋流杯在非受限空间内的燃烧特性

采用试验方法研究了一种适用于切向驻涡燃烧室的自稳火双旋流杯在非受限空间内的燃烧特性.自稳火双旋流杯的方案特点是采用两级径向旋流器,燃油从中心离心喷嘴喷出,根据旋流器旋流强度和气量分配形成不同布局形式.在常温常压条件下,以RP-3航空煤油为燃料,测量了三种结构的自稳火双旋流杯火焰特性以及贫油熄火油气比,结果表明:随着内旋流器气量减少和旋流数增加,火焰稳定性将有所增强,但火焰长度及总体形状没有变化.      

平面突扩管道中的湍流流动及预混燃烧计算

应用随机涡法(Random Vortex Method)对平面后台阶突扩管道中的湍流流动及预混燃烧过程进行了数值计算。与平均流场所显示的气流结构不同,瞬时流场表现出大尺度的多涡结构。由于这些大尺度旋涡之间的相互作用,回流区长度在平均值附近发生拟周期性变化。预混燃烧计算结果表明,大尺度旋涡对火焰面在流场中的分布有重要影响。     

基于OH-PLIF技术的环形燃烧室预混火焰结构实验

针对微型燃气轮机环形燃烧室中的燃烧特性,利用平面激光诱导荧光(PLIF)技术,对环形燃烧室内甲烷/空气预混湍流多束火焰燃烧开展实验研究,得到OH自由基物质的量浓度分布,并研究雷诺数和当量比对火焰结构特征参数的影响。结果表明:OH自由基浓度分布呈现环形结构,并有火焰托举和分叉现象,OH-PLIF瞬时和平均图像揭示了火焰具有湍流和层流预混结构共同特征。火焰结构特征参数的定量分析表明,雷诺数升高,拉伸火焰预混锥形结构,促进射流之间相互作用;康达效应使内焰向内壁面弯曲,火焰张角增大;适当调节预混火焰的当量比,有利于火焰结构的稳定。      

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。      

贫油直喷三喷嘴模型燃烧室燃烧性能

构建了反向双旋文氏管预混(CDV)三喷嘴矩形模型燃烧室,研究了其燃烧特征及性能.结果表明:火焰近乎全蓝色,类似气体的贫预混燃烧,且在此工况下,CO和NOx换算成15%含氧量(体积分数)下排放的体积分数分别低于10×10-6和50×10-6.此外,研究了进气温度变化对CDV三喷嘴污染物排放的影响,发现CO排放相对NOx更易受到进气温度变化的影响,并分析揭示了产生该现象的原因.另外雾化器的性能极易影响贫油直喷火焰特征;需要改进雾化器的加工工艺以确保在预热工况下它能够保持持续稳定的良好雾化性能.     

限制域、预混气初始温度对多孔介质表面火焰熄火特性的影响

为了对基于多孔介质表面火焰的微型燃烧室技术进行优化设计,以甲烷/空气预混气为研究对象,针对不同的限制域、预混气初始温度,开展了多孔介质表面火焰熄火特性实验研究.实验结果表明:在石英玻璃限制域下,多孔介质表面火焰可以维持在0.188~0.436m/s的低预混气速度下,速度升高容易发生推举和吹熄;而限制域的长度未产生影响作用;随着预混气初始温度从293K升高至550K,多孔介质表面火焰的熄火速度极限得以提高.当量比为1.0时,预混气熄火速度从293K的1.176m/s增加至550K的2.678m/s,并存在不同斜率的上升过程,而初始温度对熄火本质没有影响.