燃烧室燃烧流场组织方法研究

论文摘要

燃气轮机是常用的舰船动力装备,作为其重要部件的燃烧室,它的特性直接决定着燃气轮机的使用寿命和动力性能。燃烧室结构设计多受限于经验、半经验公式法,此方法繁琐、设计周期长,严重地阻碍了其自身的发展。针对此种状况,本文引入一种从（?）维计算到三维数值校核的燃烧室流场设计方法,通过对某型燃气轮机燃烧室流场的修正验证该方法的可行性,为燃气轮机燃烧室的发展提供了一定的参考。本文基于某型燃气轮机燃烧室,在不改变其头部及燃气收集器结构的前提下,使用一维方法对其流场组织形式进行优化。借助CFD技术,对此燃烧室模型进行三维数值计算校核,采用Realizable k-ε双方程湍流模型,快速反应简化PDF燃烧模型；对控制方程采用二阶迎风的差分格式进行离散,壁面处理采用标准壁面函数法；采用SIMPLEC算法求解离散方程。在对燃烧室流场组织形式进行一维优化设计过程中,首先根据CHEMKIN软件的计算特点以及燃气轮机燃烧室的流动特征引入一种燃烧室一维长度校核方法-微元法；参照已知燃烧室的流动特征由易到难地构建了两个燃烧室化学反应器特征网络,使用微元法对每个网络下燃烧室特征区域的有效长度进行计算,并根据已知的燃烧室区域长度确定其各区域的有效长度比。继续使用CHEMKIN软件对网络2的燃烧室特性进行深入分析,通过改变其火焰筒空气配比得到了燃烧室流场特性的变化规律。根据出口NOx排放最低原则重新确定了燃烧室的空气配比,并借助微元法计算得到此配气比下燃烧室的特征尺寸。根据确定的燃烧室特征尺寸建立新的燃烧室模型,借助CFD技术对新型燃烧室流场进行三维校核计算。基于火焰筒壁面绝热和导热两种计算工况,分别从燃烧流场的效率、温度、速度、火焰长度等特征对该型燃烧室的可行性进行分析。使用FLUENT软件和化学反应器网络法对该燃烧室的污染物生成及排放进行计算,参照原型燃烧室的出口NOx排放量,确定其最终的出口污染物排放值。计算结果表明：该型燃烧室回流区明显,有利于火焰的稳定传播,出口温度场的最大不均匀度、火焰长度及出口污染物排放均在可接受范围内,壁面温度分布略高,但较为均匀,基本符合设计要求。在文章的最后,系统地对以上设计思路进行总结,形成了一套燃烧室流场的一维优化方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 燃气轮机燃烧室设计方法国内外进展
• 1.2.2 燃烧室化学反应器特征网络构建国内外进展
• 1.2.3 燃烧室数值模拟国内外研究进展
• 1.3 本文主要研究内容
• 第2章 化学反应器数学模型
• 2.1 引言
• 2.2 软件结构介绍
• 2.3 主要反应器介绍
• 2.3.1 理想完全混合反应器数学模型
• 2.3.2 柱塞流反应器数学模型模型
• 2.3.3 其他反应器
• 2.3.4 反应机理介绍
• 2.4 本章小结
• 第3章 原型燃烧室一维流场特征分析
• 3.1 引言
• 3.2 燃烧室流场一维优化方法的引入
• 3.3 燃烧区域内流动特征分析
• 3.3.1 燃烧区域中气流流动特征及其对燃烧特征的影响
• 3.3.2 燃烧区中燃料浓度场的组织及其特点
• 3.3.3 燃烧区中可燃混合物的形成、着火与燃烧
• 3.3.4 主燃区壁面射流空气与高温燃气的掺混过程
• 3.4 原型燃烧室有效特征长度比的确定
• 3.4.1 燃烧室计算网络1的构建
• 3.4.2 计算参数的确定
• 3.4.3 有效长度参照物的选取
• 3.4.4 网络1有效长度比的计算
• 3.4.5 网络2有效长度比的计算
• 3.5 本章小结
• 第4章 燃烧室流场特征研究及尺寸的确定
• 4.1 引言
• 4.2 燃烧室流场特征研究及最佳配气比的确定
• 4.3 燃烧室特征尺寸的确定
• 4.3.1 燃烧室燃烧区域长度的计算
• 4.3.2 燃烧室进气孔尺寸的确定
• 4.4 本章小结
• 第5章 燃烧室流场的数学模型与数值模拟方法
• 5.1 引言
• 5.2 燃烧室流场基本控制方程
• 5.3 湍流流动模型
• 5.4 湍流燃烧模型
• 5.4.1 简化化学反应系统
• 5.4.2 混合分数模型
• 5.4.3 概率密度函数
• 5.5 离散相模型
• 5.5.1 颗粒轨道模型
• 5.5.2 雾化喷嘴模型
• 5.6 燃烧室燃烧过程的数值计算方法
• 5.6.1 计算区域的离散
• 5.6.2 基本方程的离散
• 5.6.3 算法
• 5.6.4 边界条件
• 5.7 本章小结
• 第6章 燃烧室燃烧流场的数值模拟以及设计方法
• 6.1 引言
• 6.2 燃烧室建模及网格化分
• 6.2.1 燃烧室几何建模
• 6.2.2 燃烧室的网格划分
• 6.3 非预混燃烧的预处理
• 6.4 流场的评定参数
• 6.4.1 燃烧效率
• 6.4.2 出口温度场均匀性
• 6.4.3 壁面温度分布
• 6.4.4 火焰长度
• 6.5 燃烧室流场数值分析
• 6.5.1 火焰筒壁面绝热情况下流场的数值模拟
• 6.5.2 火焰筒壁面导热情况下流场的数值模拟
• 6.5.3 燃烧室性能分析
• x排放分析'>6.6 燃烧室NO_x排放分析
• 6.6.1 FLUENT计算结果分析
• 6.6.2 化学反应器网络法计算结果分析
• 6.7 燃烧室流场设计方法的形成
• 6.8 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢