贫预混旋流燃烧器的回熄火数值模拟研究
发布时间：2021-08-31 15:26
贫燃预混燃烧能降低火焰面温度从而有效降低热力学NOx的生成,是现代燃气轮机中普遍采用的低污染燃烧技术,但是因为贫燃预混燃烧过程偏离了合适的化学当量比,所以容易发生燃烧不稳定的现象。本文重点关注贫预混旋流燃烧器的回火和吹熄两种不稳定燃烧现象,通过建立快速预测回火和吹熄边界的数值模拟方法,用于分析和预测实际燃烧器的回熄火边界和稳定燃烧工况范围,以期为燃烧室设计和运行优化提供模拟分析手段。以文献中的贫预混旋流燃烧器为对象,采用稳态的计算流体力学模拟方法,改变工况逐步调节预混气混合分数获得一系列回火和吹熄边界值。对比分析使用Realizable k-ε和RSM两种湍流模型模拟得到的不同预混气成分下的燃烧器回火和吹熄边界,并与实验数据进行验证,根据结果在计算流体力学模拟中选择预测效果较好的RSM湍流模型。对模拟回火和吹熄边界过程中的得到的数据进行了分析,获得燃烧室特征位置的平均Damk?hler（Da）数与进口预混气的混合分数的关系,结果表明不同气速条件下回火临界点的1/Da以及吹熄临界点的Da和混合分数具有一定的线性相关性。随后,在固定进口几何旋流数的条件下,分析了三种旋流器进口结构尺寸对回熄...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所)北京市
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
CIVB诱发回火的火焰传播过程[24]
贫预混旋流燃烧器的回熄火数值模拟研究6究，介绍了高雷诺数湍流预混气体燃烧计算模型的理论背景、实验细节和验证结果，并描述了燃烧过程。使用的高雷诺数计算模型基于湍流火焰速度模型，其过程变量的源项封闭在单一的传输方程中。与实验结果进行了比较，发现计算与实验结果有很大的偏差，特别是计算的中心再循环区的大小和位置，以及再循环区的强度，结果表明边界层回火是不含同轴射流情况下甲烷回火的主要形式。Lewis和VonElbe[29]也对吹熄和回火的速度-梯度判据的机理进行了研究。由图1.5所示，壁面附近气流的速度由壁面处的速度为零随距离的增加呈函数增加，其增加的方式取决于研究参考系的形状和平均流速。此外，由于热量和自由基向壁面的损失，导致壁面附近火焰速度降低，在离壁面一定距离时速度就会到零，此时温度和自由基浓度过低，无法保持着火[30]。如图1.5(b)，当流速曲线低于火焰速度曲线时，在距离壁面一定距离时，火焰将会向上移动，造成回火，除非气流速度增加达到两个曲线接触的地方，在那里火焰保持稳定。当火焰速度曲线低于来流速度，除非降低流速曲线，直到与火焰速度曲线接触并稳定，否则火焰将顺流而下并最终被吹熄。因此，对于回火和吹熄来说，临界稳定位置是两条曲线相互接触的位置。考虑到速度剖面本质上是靠近壁面的一条直线，可以看出这个临界位置实际上定义了一个临界的速度梯度。图1.5管道中相对速度和流速示意图Figure1.5SchematicdiagramofrelativevelocityandvelocityinpipelinePlee和Mellor[31]等人通过对钝体的稳定流动的贫燃吹熄特征时间进行研究，
苯拥墓叵怠Ｐ砗檠?3]设计建立了可视化贫燃预混实验平台，试验研究了火焰结构形态受到预混燃烧气当量比改变的影响，同样根据实验结果发现燃烧室中形成的中心回流和角回流区是受到燃烧室中的突扩比以及旋流结构影响。通过测量不同运行工况下的贫燃熄火极限，发现燃烧室的稳定燃烧范围会随着进气速度的增加而前推。随着预混气的当量比增加，燃烧室内的振荡频率会随之增加，与之相反，有效压力振幅会随着当量比的增加而下降，尤以在预混气当量比接近贫燃熄火极限值时，燃烧室更易产生高速的低频振荡，此时熄火更加容易发生。图1.6为当量比变化引起的火焰形状变化。柳伟杰[39]等使用了实验加模拟的方法，对低旋流情况下空气中甲烷燃烧回火与当量比变化的关系进行了研究，结果表明在旋流出口处带有扩张段的喷嘴有利于火焰的稳定。且实验结果表明，在调整燃空当量比，使其超过某临界值（大于1.4）后，其改变对燃烧室出口处的烟气温度的升高影响逐渐降低，并且实验还得到燃烧室内压力、流动速度、组分等发生周期变化时，可以在旋流器喷嘴处同样观察到回火现象，表明燃烧的不稳定主要受外剪切层处的涡脱落和流场中的热释放相互反馈引起。图1.6燃烧室内火焰形状（当量比为0.8、0.6、0.4）Figure1.6Flameshapeincombustionchamber(equivalentratio0.8,0.6,0.4)实际燃烧室运行中也会遇到燃料变化的情况，不同燃料若具有相似物化特性也可使用相似的计算或实验处理方法。袁艳[40]针对乙醇燃料的燃烧稳定性进行了数值模拟计算，其将燃烧室内火焰的稳定、回火发生与否归结于火焰稳定器的出口速度大小及其梯度的大小，并根据结果设定一回火临界值作为回火发生的标志，当上述任一指标小于临界值时，就会发生回火。燃烧的稳定性还会受到燃空混合均匀性和实
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于网格化Damk?hler数的燃烧室贫熄边界预测方法探究[J]. 王中豪,张军华,邓爱明,胡斌,赵庆军. 燃烧科学与技术. 2019(06)
[2]CH4/空气预混稀燃临吹熄火焰结构研究[J]. 张玮杰,王金华,郭实龙,常敏,聂要辉,金武,黄佐华. 燃烧科学与技术. 2019(05)
[3]贫预混燃烧室化学反应器网络模型建模及不确定性分析[J]. 母滨,雷福林,邵卫卫,张哲巅,肖云汉. 航空动力学报. 2019(10)
[4]基于化学反应网络模型法的低排放燃烧室NOx模拟及预测[J]. 马存祥,邢力,徐华胜. 燃气涡轮试验与研究. 2018(02)
[5]燃气轮机技术发展及应用[J]. 顾士国. 山东工业技术. 2017(16)
[6]贫预混燃烧室燃烧稳定性的数值研究[J]. 杨亚晶,李晓亚,谢伟. 推进技术. 2017(11)
[7]燃气轮机燃烧室预混燃烧器天然气燃料/空气掺混均匀性研究[J]. 邵卫卫,赵岩,刘艳,王翰林,田勇,路源,张哲巅,肖云汉. 中国电机工程学报. 2017(03)
[8]燃气轮机燃烧回火机理与数值模拟的研究进展[J]. 张文普,李宇斌. 燃烧科学与技术. 2016(05)
[9]部分预混旋流火焰不稳定燃烧的大涡模拟[J]. 柳伟杰,葛冰,臧述升,翁史烈. 热能动力工程. 2016(04)
[10]甲烷/空气预混火焰回火特性数值模拟[J]. 吴泽俊,何小民,葛佳伟,洪亮,薛冲. 推进技术. 2015(09)
博士论文
[1]氢燃料旋流预混火焰燃烧诱导涡破碎回火特性研究[D]. 田晓晶.中国科学院研究生院(工程热物理研究所) 2015
[2]微小型燃气轮机径向旋流预混燃烧特性研究[D]. 邢双喜.中国科学院研究生院（工程热物理研究所） 2012
[3]多旋流合成气燃烧室燃烧特性的实验研究[D]. 宋权斌.中国科学院研究生院（工程热物理研究所） 2009
硕士论文
[1]贫预混燃烧室NOx排放的化学反应器网络模型数值研究[D]. 母滨.中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所) 2019
[2]贫燃预混燃烧火焰形态与流场研究[D]. 魏星.大连理工大学 2017
[3]贫燃旋流预混燃烧室回火行为实验研究[D]. 樊艳娜.大连理工大学 2016
[4]贫燃预混旋流火焰的非稳态燃烧行为研究[D]. 许洪雪.大连理工大学 2014
[5]FGM预混及部分预混湍流燃烧模型研究与应用[D]. 杨金虎.中国科学院研究生院（工程热物理研究所） 2012
[6]贫燃料预混燃烧回火特性数值模拟[D]. 姜君.南昌大学 2006
本文编号：3375136
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所)北京市
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
CIVB诱发回火的火焰传播过程[24]
贫预混旋流燃烧器的回熄火数值模拟研究6究，介绍了高雷诺数湍流预混气体燃烧计算模型的理论背景、实验细节和验证结果，并描述了燃烧过程。使用的高雷诺数计算模型基于湍流火焰速度模型，其过程变量的源项封闭在单一的传输方程中。与实验结果进行了比较，发现计算与实验结果有很大的偏差，特别是计算的中心再循环区的大小和位置，以及再循环区的强度，结果表明边界层回火是不含同轴射流情况下甲烷回火的主要形式。Lewis和VonElbe[29]也对吹熄和回火的速度-梯度判据的机理进行了研究。由图1.5所示，壁面附近气流的速度由壁面处的速度为零随距离的增加呈函数增加，其增加的方式取决于研究参考系的形状和平均流速。此外，由于热量和自由基向壁面的损失，导致壁面附近火焰速度降低，在离壁面一定距离时速度就会到零，此时温度和自由基浓度过低，无法保持着火[30]。如图1.5(b)，当流速曲线低于火焰速度曲线时，在距离壁面一定距离时，火焰将会向上移动，造成回火，除非气流速度增加达到两个曲线接触的地方，在那里火焰保持稳定。当火焰速度曲线低于来流速度，除非降低流速曲线，直到与火焰速度曲线接触并稳定，否则火焰将顺流而下并最终被吹熄。因此，对于回火和吹熄来说，临界稳定位置是两条曲线相互接触的位置。考虑到速度剖面本质上是靠近壁面的一条直线，可以看出这个临界位置实际上定义了一个临界的速度梯度。图1.5管道中相对速度和流速示意图Figure1.5SchematicdiagramofrelativevelocityandvelocityinpipelinePlee和Mellor[31]等人通过对钝体的稳定流动的贫燃吹熄特征时间进行研究，
苯拥墓叵怠Ｐ砗檠?3]设计建立了可视化贫燃预混实验平台，试验研究了火焰结构形态受到预混燃烧气当量比改变的影响，同样根据实验结果发现燃烧室中形成的中心回流和角回流区是受到燃烧室中的突扩比以及旋流结构影响。通过测量不同运行工况下的贫燃熄火极限，发现燃烧室的稳定燃烧范围会随着进气速度的增加而前推。随着预混气的当量比增加，燃烧室内的振荡频率会随之增加，与之相反，有效压力振幅会随着当量比的增加而下降，尤以在预混气当量比接近贫燃熄火极限值时，燃烧室更易产生高速的低频振荡，此时熄火更加容易发生。图1.6为当量比变化引起的火焰形状变化。柳伟杰[39]等使用了实验加模拟的方法，对低旋流情况下空气中甲烷燃烧回火与当量比变化的关系进行了研究，结果表明在旋流出口处带有扩张段的喷嘴有利于火焰的稳定。且实验结果表明，在调整燃空当量比，使其超过某临界值（大于1.4）后，其改变对燃烧室出口处的烟气温度的升高影响逐渐降低，并且实验还得到燃烧室内压力、流动速度、组分等发生周期变化时，可以在旋流器喷嘴处同样观察到回火现象，表明燃烧的不稳定主要受外剪切层处的涡脱落和流场中的热释放相互反馈引起。图1.6燃烧室内火焰形状（当量比为0.8、0.6、0.4）Figure1.6Flameshapeincombustionchamber(equivalentratio0.8,0.6,0.4)实际燃烧室运行中也会遇到燃料变化的情况，不同燃料若具有相似物化特性也可使用相似的计算或实验处理方法。袁艳[40]针对乙醇燃料的燃烧稳定性进行了数值模拟计算，其将燃烧室内火焰的稳定、回火发生与否归结于火焰稳定器的出口速度大小及其梯度的大小，并根据结果设定一回火临界值作为回火发生的标志，当上述任一指标小于临界值时，就会发生回火。燃烧的稳定性还会受到燃空混合均匀性和实
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于网格化Damk?hler数的燃烧室贫熄边界预测方法探究[J]. 王中豪,张军华,邓爱明,胡斌,赵庆军. 燃烧科学与技术. 2019(06)
[2]CH4/空气预混稀燃临吹熄火焰结构研究[J]. 张玮杰,王金华,郭实龙,常敏,聂要辉,金武,黄佐华. 燃烧科学与技术. 2019(05)
[3]贫预混燃烧室化学反应器网络模型建模及不确定性分析[J]. 母滨,雷福林,邵卫卫,张哲巅,肖云汉. 航空动力学报. 2019(10)
[4]基于化学反应网络模型法的低排放燃烧室NOx模拟及预测[J]. 马存祥,邢力,徐华胜. 燃气涡轮试验与研究. 2018(02)
[5]燃气轮机技术发展及应用[J]. 顾士国. 山东工业技术. 2017(16)
[6]贫预混燃烧室燃烧稳定性的数值研究[J]. 杨亚晶,李晓亚,谢伟. 推进技术. 2017(11)
[7]燃气轮机燃烧室预混燃烧器天然气燃料/空气掺混均匀性研究[J]. 邵卫卫,赵岩,刘艳,王翰林,田勇,路源,张哲巅,肖云汉. 中国电机工程学报. 2017(03)
[8]燃气轮机燃烧回火机理与数值模拟的研究进展[J]. 张文普,李宇斌. 燃烧科学与技术. 2016(05)
[9]部分预混旋流火焰不稳定燃烧的大涡模拟[J]. 柳伟杰,葛冰,臧述升,翁史烈. 热能动力工程. 2016(04)
[10]甲烷/空气预混火焰回火特性数值模拟[J]. 吴泽俊,何小民,葛佳伟,洪亮,薛冲. 推进技术. 2015(09)
博士论文
[1]氢燃料旋流预混火焰燃烧诱导涡破碎回火特性研究[D]. 田晓晶.中国科学院研究生院(工程热物理研究所) 2015
[2]微小型燃气轮机径向旋流预混燃烧特性研究[D]. 邢双喜.中国科学院研究生院（工程热物理研究所） 2012
[3]多旋流合成气燃烧室燃烧特性的实验研究[D]. 宋权斌.中国科学院研究生院（工程热物理研究所） 2009
硕士论文
[1]贫预混燃烧室NOx排放的化学反应器网络模型数值研究[D]. 母滨.中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所) 2019
[2]贫燃预混燃烧火焰形态与流场研究[D]. 魏星.大连理工大学 2017
[3]贫燃旋流预混燃烧室回火行为实验研究[D]. 樊艳娜.大连理工大学 2016
[4]贫燃预混旋流火焰的非稳态燃烧行为研究[D]. 许洪雪.大连理工大学 2014
[5]FGM预混及部分预混湍流燃烧模型研究与应用[D]. 杨金虎.中国科学院研究生院（工程热物理研究所） 2012
[6]贫燃料预混燃烧回火特性数值模拟[D]. 姜君.南昌大学 2006
本文编号：3375136
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