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.     

弱旋流燃烧器燃料/空气预混均匀性研究

实施贫预混燃烧技术的关键是保证燃料与氧化剂的均匀混合,避免在燃烧时形成局部高温点而导致NOx排放增加。本文针对弱旋流燃烧器设计了甲烷/空气预混方案,首先通过试验结果验证了数值计算方法的可靠性,然后对当量比为0.7的预混气体进行数值模拟,分析了燃料喷射孔和弱旋流流场特性对掺混的影响机制。结果表明：喷射孔径影响燃料的初始分布,很大程度上决定了在有限空间内可以达到的最终混合效果,对给出的预混结构,存在最佳当量孔径b=0.01及对应的平均动量通量比 J =75.59,使混合效果最优。弱旋流流场由中心直流通量和外环旋流通量共同作用,其中旋流对燃料扩散起主导作用。在保证弱旋流特性的前提下,通过增大孔板阻塞比或旋流叶片几何角的方式能够强化旋流作用,从而提高预混均匀性。     

气量分配对轴径向旋流杯燃烧室贫熄边界的影响

针对轴径向旋流杯燃烧室,研究了头部进气面积及主燃孔布局对此类燃烧室贫熄特性的影响.实验结果表明:减小一级轴向旋流器进气面积和增加主燃孔个数对燃烧室贫熄性能有较大影响.一级进气面积减小20%可拓宽贫熄边界9.7%;增加主燃孔为4个时,燃烧室贫熄边界变宽约7.6%.此外,增加一级进气面积20%,改变二级进气面积20%及改变主燃孔个数为2个等情况对燃烧室贫熄边界影响较小.      

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.      

三级轴向旋流器燃烧室的贫油熄火性能试验

对三级轴向旋流器燃烧室进行了不同进口速度、进口温度、三级轴向旋流器旋向组合和空气流量分配下的贫油熄火性能试验.研究结果表明:随着进口速度、进口温度的增加,三级轴向旋流器燃烧室的贫油熄火油气比减小,进口温度的升高对贫油熄火性能的影响显著;相同进口速度下旋向组合为逆时针-逆时针-顺时针方案的贫油熄火油气比比旋向组合为顺时针-逆时针-顺时针方案的贫油熄火油气比约高50%;内旋流器空气流量的减小可使得贫油熄火油气比有所减小,但减小的幅度不大.      

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。