等离子点火器性能研究

论文摘要

在燃气轮机启动中,实现燃烧室可靠点火至关重要。点火的成功率直接关系到整个动力装置的安全可靠运行,甚至关系到整个飞机（船舶）的安全。这也为点火装置的可靠性提出了较高的要求。等离子点火技术作为一种新型的点火技术正在广泛地应用于航空、电力、石化等工业。它具有独特的放电特性和较大的点火能量,能量集中,对发动机的点火可靠性和点火浓度极限有很大的提高,正在被越来越多的专业人士所关注。本文建立了等离子点火器内部和外部射流火焰基本方程组,采用了RNGk-ε双方程湍流流动模型、简单化学反应速率模型、湍流扩散火焰模型、离散相模型等数学模型。在边界条件的处理上,电极表面与周围流体进行耦合,考查对流换热和热传导对电极表面温度的影响。由于未对点火器几何模型工艺结构进行简化,为减少网格数量,采用混合网格对计算域进行划分,网格总数共计242万个;控制方程采用混合格式进行离散;选择壁面函数法对壁面进行处理;使用SIMPLE算法求解方程组。本文制定两套计算方案,从点火能量的角度,考查与点火总能量相关的出口平均温度、出口平均速度、出口各种物质摩尔分数分布、以及出口的火焰长度,经过综合分析,得出了随着α的增大,点火器出口平均温度趋于增大,有助于提高射流气体的点火内能;点火器出口平均速度趋于增大,有助于强化出口火焰刚性,提高射流深度;出口可燃物质的摩尔组分趋于下降,相应的用于点火的化学能趋于减少;射流火焰长度趋于减小,这与点火器出口处可燃物质浓度有关,提高射流火焰可燃物质浓度有利于增长射流火焰长度。并且依靠以上的理论分析,拟合出了用于工程设计的图线。另外,通过数值模拟,得出了导燃管内壁面温度随着过量空气系数变化的趋势,并总结出了重要结论。导燃管的最高温度位于距离燃料入口40mm的位置,在α不大于0.5的情况下,随着α的增大,对导燃管最高温度影响有限,但高温区面积增大,逐渐扩展到导燃管下游;在保证点火器出口平均温度能够点着燃料和保证火焰刚度的情况下,应尽可能减小空气过量系数α,对于增加射流火焰长度火焰,减小导燃管高温区域面积以及最高温度,提高点火器的寿命有着重要作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究目的及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国外等离子点火技术的应用情况
• 1.2.2 国外燃烧理论的发展以及数值模拟的应用
• 1.2.3 国内等离子点火技术的应用和研究
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第2章 燃烧的基本概念
• 2.1 化学反应速率
• 2.2 动力学近似
• 2.2.1 准稳态近似
• 2.2.2 局部平衡近似
• 2.3 链锁反应理论
• 2.4 典型氧化反应机理
• 2.4.1 一氧化碳的氧化机理
• 2.4.2 烷类和烯类碳氢化合物的氧化机理
• 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 湍流流动模型
• 3.2.1 标准k-ε双方程模型
• 3.2.2 重正化群RNG k-ε双方程模型
• 3.3 湍流燃烧模型
• 3.3.1 简单化学反应系统
• 3.3.2 快速反应的假定
• 3.3.3 混合分数
• 3.3.4 湍流扩散火焰模型
• 3.3.5 简单的概率密度分布函数
• 3.4 离散项模型
• 3.4.1 随机轨道模型
• 3.4.2 喷雾模型
• 3.4.3 液滴的蒸发
• 3.4.4 液滴破碎模型
• 3.5 本章小结
• 第4章 数值求解方法
• 4.1 方程的离散
• 4.1.1 常用的离散格式
• 4.1.2 源项的处理
• 4.2 SIMPLE方法
• 4.3 多重网格法
• 4.4 松弛法
• 4.5 本章小结
• 第5章 等离子点火器燃烧流场的数值模拟
• 5.1 几何模型和工况
• 5.2 非预混燃烧的预处理
• 5.3 点火器燃烧流场的参数分布及分布
• 5.3.1 对称面上平均混合组分（f|-）分布
• 5.3.2 对称面上温度场分布
• 5.3.3 对称面上速度场分布
• 5.3.4 对称面上静压分布
• 5.3.5 对称面上密度分布
• 5.3.6 对称面上湍动能和湍流耗散率的分布
• 7H₁₆浓度分布'>5.3.7 对称面上液态C₇H₁₆浓度分布
• 5.3.8 对称面上氧气体积分数分布
• 7H₁₆、CH₄和H₂的体积分数分布'>5.3.9 对称面上C₇H₁₆、CH₄和H₂的体积分数分布
• 2的体积分布'>5.3.10 对称面上CO和CO₂的体积分布
• 5.3.11 对称面上水和氮气的体积分数分布
• 5.3.12 对称面上H、O、OH的体积分数分布
• 5.4 点火器点火参数分析（方案一）
• 5.4.1 等离子点火器点火能量的简单介绍
• 5.4.2 点火器出口温度和速度分布
• 5.4.3 点火器出口物质摩尔分数分布
• 5.4.4 点火器射流火焰随过量空气系数的变化
• 5.5 点火器点火参数分析（方案二）
• 5.5.1 点火器出口温度和速度分布
• 5.5.2 点火器出口物质摩尔分数分布
• 5.5.3 点火器射流火焰随过量空气系数的变化
• 5.5.4 点火器的点火参数随进气压力差的变化
• 5.6 点火器阳极随过量空气系数的变化趋势
• 5.6.1 方案一
• 5.6.2 方案二
• 5.7 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