等离子点火器出口点火能量数值模拟分析

论文摘要

燃气轮机燃烧室的点火是启动过程中的一个重要环节。通过它，可以向燃烧室输入一定能量，直接把主燃料炬点燃；或者使少量的启动燃料首先点着，形成点火火炬，然后依靠它再去点燃整个燃烧室的主燃料炬。当燃烧室的主火焰能够连续而又稳定地维持后，点火过程就此结束。等离子体点火器是等离子体技术在动力与能源工程领域中应用而产生的一种新型点火装置。其高密度能量对空气或可燃混合物进行热学作用，进入等离子体点火器内的空气和雾状燃料经历的过程非常复杂，它涉及气体湍流流动、传热、传质、化学反应、辐射等过程。对描述其过程的非线性控制微分方程组，到目前还无法用解析法解出。对于燃烧设备来说，如果不能深刻理解和准确描述其工作过程，就很难将其变成更有效的工作装置。本文对等离子体点火器内燃烧过程进行了三维模拟，通过构造反映等离子体点火器内部流动规律的基本方程组，建立了描述点火器内部复杂燃烧过程的数学模型。其模型包括：模拟湍流流动的标准的κ-ε模型；模拟内部湍流燃烧的非预混湍流燃烧模型；模拟辐射传热的DO辐射模型等。对于控制方程采用混合差分格式进行离散，壁面处理采用壁面函数法，压力速度耦合问题采用SIMPLE算法。通过数值模拟计算，讨论了改变空气过量系数对等离子点火器出口面上燃气混合物组分、内能、化学能、出口点火能量的影响。并对燃烧组分发生变化时对等离子点火器出口面处上述各参数的影响做了分析。这对实际等离子体点火器的结构设计和改进将起到重要的指导意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 概述
• 1.1.1 等离子体概念
• 1.1.2 等离子体的应用
• 1.2 本课题研究的目的和意义
• 1.3 等离子点火器在国内外研究现状
• 1.3.1 国内研究现状
• 1.3.2 国外研究现状
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第2章 湍流燃烧理论及模型
• 2.1 湍流燃烧及其特点
• 2.2 湍流燃烧模型的发展现状
• 2.3 湍流扩散火焰
• 2.4 碳氢燃料燃烧总的化学反应机理
• 2.5 本章小结
• 第3章 数学物理模型
• 3.1 基本控制方程
• 3.2 湍流模型
• 3.2.1 标准k-ε模型的定义
• 3.2.2 标准k-ε模型的有关计算公式
• 3.2.3 标准k-ε模型的控制方程组
• 3.2.4 标准k-ε模型方程的解法及适用性
• 3.3 组分模型
• 3.4 离散坐标（DO）辐射模型
• 3.5 本章小结
• 第4章 燃烧过程数值模拟
• 4.1 燃烧过程数值模拟的意义
• 4.2 燃烧过程数值模拟计算流程
• 4.3 计算网格的生成
• 4.3.1 贴体坐标概念初步
• 4.3.2 积分区域的离散化
• 4.4 基于有限体积法的方程的离散
• 4.5 基于SIMPLE算法的流场数值计算
• 4.5.1 SIMPLE算法的基本思想
• 4.5.2 速度修正方程
• 4.5.3 压力修正方程
• 4.5.4 SIMPLE算法的计算步骤
• 4.6 边界的处理
• 4.6.1 边界条件的给定
• 4.6.2 壁面函数法
• 4.7 本章小结
• 第5章 等离子点火器燃烧流场模拟结果分析
• 5.1 燃料燃烧基本理论
• 5.2 等离子点火器几何模型及边界条件
• 5.3 数值模拟结果及分析
• 5.3.1 组分为十五种时出口点火能量的情况
• 2O时出口点火能量的情况'>5.3.2 组分中考虑CH₂O时出口点火能量的情况
• 3OH时出口点火能量的情况'>5.3.3 组分中考虑CH₃OH时出口点火能量的情况
• 3OH和CH₂O的情况'>5.3.4 组分中同时考虑CH₃OH和CH₂O的情况
• 5.4 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科研成果
• 致谢