燃料分级对旋流火焰的动态特性影响研究---“两机”专刊

为深入研究分级旋流火焰特性,本文以分级旋流模型燃烧室为研究对象,对四个不同燃料分级比(FSR)条件下的分级旋流火焰进行了数值研究,在时均燃烧场特性分析的基础上进一步对燃料分级比为1和3两个工况进行了大涡模拟(WMLES)研究。结果表明：燃料分级比的改变会影响中心回流区(CRZ)的长度和宽度。燃烧室中截面的散点分布图能够显示出不同燃料分级比条件下的燃烧特征。燃料分级比为1时,燃烧室剪切层仅存在零散的涡破碎区;而燃料分级比为3时,伴随涡破碎区还出现了单螺旋分支进动涡核(PVC)。通过FFT变换获得的燃烧室内剪切层速度能谱主频与进动涡核的旋转频率相同,表明内剪切层速度脉动的产生与进动涡核有关。另外进动涡核会使流场内的燃料分布和燃烧模式发生周期性的变化,进而影响燃烧过程。调整燃料分级比在1附近,能够使分级火焰达到稳定燃烧降低排放的目标。     

燃料分级对旋流火焰的动态特性影响研究

为深入研究分级旋流火焰特性,以分级旋流模型燃烧室为研究对象,对四个不同燃料分级比(Rf)条件下的分级旋流火焰进行了数值研究,在时均燃烧场特性分析的基础上进一步对燃料分级比为1和3两个工况进行了基于壁面建模的大涡模拟(WMLES)研究。结果表明:燃料分级比的改变会影响中心回流区(CRZ)的长度和宽度。燃烧室中截面的散点分布图能够显示出不同燃料分级比条件下的燃烧特征。燃料分级比为1时,燃烧室剪切层仅存在零散的涡破碎区;而燃料分级比为3时,伴随涡破碎区还出现了单螺旋分支进动涡核(PVC)。通过FFT变换获得的燃烧室内剪切层速度能谱主频与进动涡核的旋转频率相同,表明内剪切层速度脉动的产生与进动涡核有关。另外进动涡核会使流场内的燃料分布和燃烧模式发生周期性的变化,进而影响燃烧过程。调整燃料分级比在1附近,能够使分级火焰达到稳定燃烧降低排放的目标。     

入口流动参数脉动对燃气轮机燃烧室燃烧不稳定的影响

通过均匀搅拌器(PSR)模型研究了某型燃气轮机燃烧室入口流动参数脉动对燃烧不稳定的影响.研究结果表明:对于贫预混燃烧室(燃烧室工作在较低的入口当量比下)来说,当入口温度、入口气体流量和入口当量比的相对脉动幅值相同时,入口当量比的脉动对燃烧不稳定性的影响最大,其次是入口气体流量,而入口温度的脉动对燃烧不稳定性的影响相对较小.      

中心突扩燃烧室水流试验与大涡模拟

以两种尺寸的中心突扩燃烧室为研究对象,分别进行了水流试验和大涡数值模拟.结果表明大涡模拟方法可以较好地刻画该型燃烧室内的流动过程;在剪切层中出现明显的旋涡结构,旋涡的产生、发展、脱落、破碎影响着燃烧室的流动状态;燃烧室的突扩比和进气道入口流速对速度脉动的强度和频率有不同程度的影响.     

合成气旋流预混燃烧的大涡模拟

如何高效洁净地燃烧合成气是整体煤气化联合循环(IGcc)系统中面临的主要问题.利用旋流贫燃预混燃烧可以达到强化传热传质,提高燃烧反应效率,降低NOx等目的,但由于合成气中所含有的H2成分,同样面临燃烧不稳定问题.为了对合成气旋流预混燃烧室的燃烧不稳定性及污染物排放提供理论和数值上的指导,采用大涡模拟方法,对典型的旋流预混燃烧室中的合成气燃烧进行了模拟.结果显示,随着H2含量的增加,火焰缩短向上游发展,燃烧室下游涡破碎更加集中.较高的入口雷诺数,加剧了涡团破碎的程度和速度,同时影响中心回流区和几何回流区的大小及分布.随着当量比的减小,火焰褶皱程度加大,燃烧趋向不稳定.增大压力火焰长度会明显缩短,NOx排放量也会随之增大,但NOx的反应速率只有在较低压力下才会对压力变化比较敏感.     

旋流预混预蒸发装置蒸发和排放特性

采用数值模拟和试验两种方法获得了两种结构的贫油预混预蒸发装置(Lean premixing and prevaporizing system,简称LPP)出口的油气混合均匀性,并采用单管燃烧室验证了LPP装置的燃烧特性.径向旋流预混装置出口的油气混合比轴向旋流预混装置更均匀;旋流器的叶片数和旋流角、预混管长度、气流速度、喷油方式等对油气混合均匀性均有比较显著的影响;在当量比高至0.5左右时,LPP燃烧室NOX和CO排放比传统燃烧室低得多;只要LPP装置出口存在回流,燃烧时就会出现回火现象.      

燃气轮机模型燃烧室的大涡模拟

燃烧室内的燃油雾化、蒸发以及和空气进行混合过程对燃烧过程有重要影响。提出1种基于大涡模拟的数学模型来模拟燃烧室内燃料喷射、蒸发和混合过程。被空间滤波掉的亚网格尺度涡对大尺度涡的影响由求单方程SGS湍流模型进行模拟。采用拉格朗日法和蒙特卡洛技术对流场中的喷雾粒子进行采样跟踪,采样喷雾粒子在流场中作为点源项与气相进行质量、动量和能量的双向耦合。提出1个基于SGS湍流动能的双向耦合模型来模拟SGS脉动速度对喷雾粒子运动的影响以及喷雾相对SGS湍流动能的影响。通过对1个同轴模型燃烧室中的喷雾蒸发及混合过程的大涡模拟,将预测结果和试验值进行了比较,预测值和试验值吻合良好,验证了模型的可靠性。     

Mg-O_2和Mg-CO_2预混气燃烧特性及热声振荡的数值模拟研究

基于金属镁在高超声速飞行器及火星探测器上的应用,为探讨金属燃料在不同氧化剂环境中的燃烧特性及热声不稳定性机理,开展了数值模拟研究。考虑镁蒸气与O_2和CO_2两种氧化剂的剧烈反应区,构建了预混燃烧的二维燃烧室模型,详细探讨了预混气当量比、预混气初温及入口速度等对燃烧特性及热声振荡特性的影响规律,并与CHEMKIN计算结果进行了比较分析。结果表明,较高的当量比下燃烧室的燃烧速率更快,燃烧平衡温度更高,此外增加预混气初温能加快燃烧室燃烧速率,而更高的入口速度会使燃烧室的压力振荡从低频高振幅振荡向高频低振幅振荡转化。燃烧室的压力振荡同时存在轴向振荡和径向振荡,振荡曲线为高频振荡和低频振荡的不同组合。入口速度对燃烧室压力振荡有较大影响,入口速度越快,振荡频率越高,而声压级越低。此外,预混气当量比和预混气初温对燃烧室的压力振荡也有一定影响。     

贫燃料湍流预混燃烧火焰稳定性的数值研究

对突扩燃烧室内甲烷-空气预混燃烧进行了数值模拟,时均控制方程组的封闭采用RNG 湍流输运模型和premixed combustion模型.通过模拟研究了不同当量比及进口速度对甲烷-空气预混燃烧效果的影响.CFD数值模拟结果给出了燃烧室内湍流预混反应流的速度场及温度场分布.模拟结果表明当量比为0.6、进口速度为30 m/s时燃烧室内产生稳定预混火焰.该结果对于航空燃气轮机低NOx排放燃烧技术的研究提供了一定的参考条件.     

采用多源涡技术强化燃料/空气小尺度混合研究

通过数值模拟,研究了在空气入口总温为294.28 K,燃料气体为乙烷(C₂H₆)时在轴向旋流器出口截面上安装多个小突片的多源涡(MSV)结构对燃烧室内燃料/空气掺混效果的影响.结果表明:在每个小突片下游产生的小尺度流向涡使得局部的燃料/空气掺混加强;装有多源涡结构的燃烧室内对应的C₂H₆质量分数在文氏管下游2 mm截面上的混合不均匀度由不带多源涡结构时的13.0%下降到小于7.4%.在该研究的范围内,当小突片总的阻塞比增大时,对应的混合不均匀度减小,掺混效果变好.      

分级/预混合预蒸发贫油燃烧低污染方案NOX排放初步研究

对分级/贫油预混合预蒸发低污染燃烧方案的氮氧化物排放进行了初步试验研究,主要目的是考察贫油预混合预蒸发级降低污染排放的能力。预燃级是常规双涡流器空气雾化喷嘴,主燃级是空气雾化喷嘴雾化燃油,配装蒸发管,头部涡流器组织燃烧。燃油为RP-3航空煤油。采用单头部燃烧室,工况模拟了燃烧室进口温度(800K)、进口速度和总油气比,压力为常压。研究结果表明,旋流式贫油预混合预蒸发燃烧的主燃级有降低氮氧化物的潜力,相对于常规燃烧组织方式,能够降低NO_X排放量为60%,同时发现,燃油分级比例对NO_X降低也有很大影响。      

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。     

分层旋流燃烧器冷态流场的大涡模拟

针对旋流数为0.25,0.45和0.79三种工况下带有中心钝体的分层旋流燃烧器的冷态流场进行了大涡模拟(LES),选取动态Smagorinsky涡黏模型作为亚格子尺度的湍流模型,研究旋流强度对钝体回流区、涡旋破碎和进动特征的影响.模拟结果与实验结果符合得较好.模拟结果表明:3个旋流数下钝体回流区的大小没有明显改变,轴向长度都约为20mm.Q准则用来显示涡旋结构,结果表明螺旋涡产生于旋流剪切层的Kelvin-Helmholtz不稳定性;增大旋流强度,涡旋破碎发生的位置向上游移动.功率谱密度(PSD)表明流场出现进动特征,进动运动沿流向逐渐衰减;旋流数为0.45和0.79时,钝体回流区末端出现进动特征;3个旋流数下,进动频率都约为78Hz.     

Effects of swirler position on flame response and combustion instabilities

This study is concerned with the experimental and theoretical investigation of the combustion instabilities in a premixed swirl combustor. It is focused on the effects of the swirl mixing distance on the intrinsic thermoacoustic mode. The swirler as an origin of the swirling flow is also the source of the flow disturbance, which has effects on the flame response. The location of the swirler is varied in the experiment to study the effect on combustion instabilities and flame transfer functions. ...     

进口温度对分层旋流火焰燃烧不稳定性的影响

为了研究进口温度对分层旋流火焰燃烧不稳定性的影响,实验在单头部燃烧室上测量了不同进口温度下的动态压力,并采用理论分析了进口温度对压力振荡的影响。实验结果显示:该燃烧室出现的燃烧不稳定性呈现的是Helmholtz模态,并且随着进口温度从530K增加至650K时,压力脉动主频增加,幅值减小。分析表明:进口温度的增加会增强燃油的雾化和蒸发,进而加强其与空气的掺混均匀性,减小了当量比脉动,从而抑制了燃烧不稳定性,压力振荡幅值减小。      

双管头部进气旋流-突扩燃烧室冷态流场研究

本文对双管头部进气旋流-突扩燃烧室模型进行了冷态流场试验研究,以探索进气方式(全旋型或部分旋型)、旋流强度(旋流数S或旋流角(?))、旋流室出口扩张角2α、旋流室长径比l/d、内通道相对面积F等参数对燃烧室流场结构的影响规律.结果表明,适当选择燃烧室结构参数可以在燃烧室中形成稳定的中心回流区和头部旋涡回流区.当(?)=45°、α=15°、l/d=1.3、F=0.41时,除了形成旋流室回流区外,在其尾部还形成了一个较大的、切向分速较低的中心回流区,两者“联串”在一起.部分旋的中心回流区长度与相同旋流角全旋进气时的回流区长度几乎相等,但总压损失却降低63.4%.     

多孔介质表面预混火焰熄火特性实验

对微型燃烧室中多孔介质表面预混火焰开展了不同孔径、孔隙率的多孔介质出口流场特性和熄火特性实验研究.研究结果表明:相对于圆管流,多孔介质出口流场边界层变薄,主流区宽度增加约50%,速度波动最大可达到前者的2.2倍.多孔介质孔径相同时,随孔隙率减小,或孔隙率相同时,随孔径减小,主流区的速度波动幅值均减小,在小孔径下更为明显,最大速度波动幅值从2.435m/s减小至1.099m/s.多孔介质表面预混火焰的熄火特性受出口流场和火焰形态的影响很大,孔隙率减小或孔径减小都会使相同当量比下熄火速度增加,多孔介质参数的影响最大可使熄火速度增加近1倍.      

钝体改进结构对先进旋涡燃烧室燃烧流动特性影响

为探究先进旋涡燃烧室凹腔稳焰机制,提出了一种后钝体结构改进方案,并对改进后的燃烧室燃烧特性进行了预混和非预混燃烧数值模拟.结果表明:预混燃烧条件下,当量比为0.6和1.0时,钝体改进结构可有效增强凹腔内旋涡流动强度,增加凹腔内温度,同时使温度分布更加均匀.另外,凹腔内温度随预混进气速度增加而增加,且当速度增大到一定值时,温度变化不明显;非预混燃烧条件下,钝体改进结构可改善凹腔内旋涡流动及温度分布,在贫油燃烧状态时,凹腔内仍可维持较高的温度;钝体改进使燃烧室质量更小,具有一定的工程参考意义.