PRECCINSTA燃气轮机燃烧器内小孔射流问题的大涡模拟研究

发布时间：2017-09-04 18:45

  本文关键词：PRECCINSTA燃气轮机燃烧器内小孔射流问题的大涡模拟研究

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【摘要】：在工程实际动力机械燃烧室中,燃料大多通过小孔射入主空气流或燃烧室,造成燃烧室内当量比分布不均匀,导致部分预混现象。相比于普遍采用的雷诺平均(RANS)方法,大涡模拟(LES)方法能更加精确地预测各种湍流现象。为了研究上游燃料小孔射流对下游可燃气混合过程的影响,并确定可燃混合气在燃烧之前所能到达的混合程度,采用高保真大涡模拟方法对著名的PRECCINSTA工业燃气轮机模型燃烧室中的小孔射流问题进行了计算研究。运用ICEM-CFD软件对包含12个射流小孔(直径仅为1毫米)的复杂的PRECCINSTA模型燃烧器进行几何重构,获得了高质量的分块结构网格。采用有限体积计算程序LESOCC2C对该基准燃烧器内甲烷经小孔射入旋流通道并与主流空气快速混合的问题开展了大涡模拟研究。对三维冷态流场共计算了四个算例,分别对应全局当量比为0.7、0.83和网格总数为120万、180万的四种组合。计算结果显示,全局当量比为0.7时,粗细两种网格预测得到的锥形通道出口处当量比变化范围很接近,约为[0.4,1.0];而全局当量比为0.83时,细网格预测得到的当量比波动范围是[0.59,1.01],粗网格的结果为[0.6,1.15],两者差别比较明显。这表明,为了准确地描述湍流的发展及预测下游的甲烷/空气混合过程,需要具备足够高的网格精度。研究还表明,无论对全局当量比为0.7或是0.83的状态,甲烷/空气混合物在进入燃烧室时都存在很大的当量比波动,导致强烈的部分预混燃烧现象,这对亚网格燃烧模型提出了很高的要求,因为目前很多燃烧模型仅适合计算完全预混或非预混火焰。对比分析了两种甲烷/空气燃烧反应的简化机理——2s CM2机理和2S_CH4_BFER机理,分别采用此两种机理对15个不同当量比情况下的层流预混火焰进行了计算,并与采用详细反应机理的计算结果进行对比分析。结果表明当量比在[0.5,1.2]之间时,两种简化机理所得的火焰最高温度、火焰传播速度、火焰厚度与详细机理的结果吻合良好;当量比大于1.2时,2s CM2机理显示出较大的误差;当量比大于1.3时,两种简化机理的结果均有很大误差。结合小孔射流冷态计算的研究结果,可得如下结论:对于全局当量比为0.7和0.83的小孔射流问题,两种简化机理都适用;但是,考虑到更宽的当量比适应范围,采用2S_CH4_BFER机理来计算带小孔射流的PRECCINSTA湍流火焰更合适。
【关键词】：小孔射流 部分预混 大涡模拟 层流预混火焰 燃气轮机
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK473
【目录】：

• 摘要5-12
• 第一章 绪论12-22
• 1.1 课题研究背景及意义12-14
• 1.2 部分预混燃烧装置14-16
• 1.3 大涡模拟方法16-19
• 1.3.1 湍流脉动的过滤17-18
• 1.3.2 亚格子尺度模型18
• 1.3.3 大涡模拟方法的发展18-19
• 1.4 课题研究主要内容19-22
• 第二章 亚网格燃烧模型及反应机理简化22-32
• 2.1 湍流燃烧模型22-26
• 2.1.1 概率密度函数模型22-23
• 2.1.2 小火焰面模型23
• 2.1.3 火焰锋面密度模型23-24
• 2.1.4 动态火焰增厚模型24-26
• 2.2 化学反应机理简化26-31
• 2.2.1 固有低维流形(ILDM)27-28
• 2.2.2 反应－扩散流形（REDIM）28-29
• 2.2.3 简化反应机理29-31
• 2.3 本章小结31-32
• 第三章 PRECCINSTA项目与模型燃烧器32-42
• 3.1 PRECCINSTA项目32-34
• 3.1.1 项目背景意义32-33
• 3.1.2 项目主要目标33-34
• 3.2 模型燃烧器基本信息34-36
• 3.2.1 基本参数信息34-35
• 3.2.2 冷态数值模拟35-36
• 3.3 前期研究成果36-40
• 3.3.1 预混合燃烧模式36-39
• 3.3.2 部分预混燃烧模式39-40
• 3.4 本章小结40-42
• 第四章 数值计算方法42-54
• 4.1 结构化网格划分42-45
• 4.1.1 整体结构化思维42-43
• 4.1.2 小孔射流关键部位结构化策略43-44
• 4.1.3 网格局部加密44-45
• 4.2 计算设定45-49
• 4.2.1 计算域分割45-47
• 4.2.2 甲烷与空气入口速度47-48
• 4.2.3 边界条件48-49
• 4.3 LESOCC2C程序49-53
• 4.3.1 数值方法49-52
• 4.3.2 低马赫数方程方法52-53
• 4.3.3 计算资源53
• 4.4 本章小结53-54
• 第五章 PRECCINSTA入流通道流场计算54-74
• 5.1 计算域构成54-55
• 5.2 入流通道瞬时流场分析55-58
• 5.2.1 射流通道流场分析56-57
• 5.2.2 旋转通道流场分析57-58
• 5.3 锥形通道流场分析58-64
• 5.3.1 流场分析59-61
• 5.3.2 统计数据分析61-64
• 5.4 锥形通道出口面流场分析64-72
• 5.4.1 流场分析64-68
• 5.4.2 统计数据分析68-72
• 5.5 本章小结72-74
• 第六章 层流预混火焰计算74-82
• 6.1 反应机理简述74-77
• 6.1.1 2s CM2机理74-75
• 6.1.2 2S_CH4_BFER机理75-76
• 6.1.3 GRI-Mech 3.0详细机理及INSFLA程序76-77
• 6.2 计算布局77-78
• 6.2.1 网格生成77-78
• 6.2.2 计算设定与边界条件78
• 6.3 计算结果分析及讨论78-81
• 6.4 本章小结81-82
• 第七章 总结与展望82-84
• 7.1 主要工作与结论82-83
• 7.2 未来工作计划83-84
• 参考文献84-90
• 致谢90-92
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文92-93

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本文编号：793241