微型燃气轮机燃烧室三维紊流数值仿真

论文摘要

燃气轮机是高性能的高科技动力机械,它广泛应用于电站、航空、船舶、石油和天然气输送等诸多工业领域。燃烧室是燃气轮机中一个不可缺少的重要部件,燃烧室的工作过程远比燃气轮机其他部件复杂,它涉及气体流动、传热、传质以及化学反应等一系列复杂过程。随着计算流体力学、计算燃烧学、计算机软硬件的迅速发展,燃烧室内流场的数值模拟是必然的发展趋势,这将促进燃气轮机工作的可靠性、经济性、环保性的提高,对燃气轮机的发展与应用具有重要的理论意义和工程价值。本文以Allied Signal 75kw微型燃气轮机的圆筒形燃烧室为研究对象,应用CATIA V5软件进行实体建模,燃烧室头部轴向旋流器和径向旋流器的建模是本文的重点和难点,旋流器建模成功与否直接影响到划分网格的质量和数值模拟的准确性。采用Fluent软件对燃烧室冷态流场和热态流场进行数值仿真,数值模拟方法选用Reynolds平均法（RANS）,紊流模型选取重整化群RNG k-ε两方程紊流模型,算法选取SIMPLEC算法,燃烧选取EBU-Arrhenius模型,对基本控制方程的求解采用混合格式（HDS）。本文研究结果表明,计算得到的冷态流场和热态流场具有定性上的正确性。在燃烧室前端中心处,有一强的中心回流区和一角回流区,热态流场与冷态流场有一定的相似性,热态流场的中心回流区长度小于冷态流场的中心回流区长度,并且热态时气流轴向速度大于冷态时气流轴向速度。本文研究成果为进一步研究强化燃烧问题和燃气轮机燃烧室优化设计奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 本课题的研究背景和意义
• 1.2 微型燃气轮机燃烧室的特点
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 国外方面
• 1.3.2 国内方面
• 1.4 国内外研究存在的问题
• 1.5 本文的主要研究内容
• 2 数学物理模型
• 2.1 基本控制方程
• 2.1.1 质量守恒方程（连续方程）
• 2.1.2 动量守恒方程（Navier-Stokes 方程）
• 2.1.3 能量守恒方程
• 2.1.4 组分质量守恒方程
• 2.1.5 控制方程的通用形式
• 2.2 紊流流动模型
• 2.2.1 三维紊流数值模拟方法分类
• 2.2.2 直接数值模拟（DNS）简介
• 2.2.3 大涡模拟（LES）简介
• 2.2.4 Reynolds 平均法（RANS）简介
• 2.2.5 k-ε两方程紊流模型
• 2.2.6 RNG k-ε两方程紊流模型
• 2.3 紊流燃烧模型
• 2.3.1 简单化学反应系统
• 2.3.2 紊流预混火焰的EBU-Arrhenius 模型
• 2.4 本章小结
• 3 数值计算方法
• 3.1 计算区域的离散化概述
• 3.1.1 离散化的目的
• 3.1.2 计算域网格生成技术概述
• 3.1.3 关于非结构网格
• 3.1.4 常用的离散化方法
• 3.2 基本控制方程的离散化
• 3.3 算法
• 3.3.1 SIMPLE 算法
• 3.3.2 SIMPLEC 算法
• 3.3.3 CCM 算法
• 3.3.4 IPSA 算法
• 3.4 迭代方法及松弛因子
• 3.4.1 线性松弛
• 3.4.2 虚时间步松弛
• 3.5 边界条件
• 3.6 本章小结
• 4 燃气轮机燃烧室三维冷态紊流数值模拟
• 4.1 燃烧室几何模型
• 4.2 CATIA V5 建模工具
• 4.3 燃烧室网格划分
• 4.4 冷态时边界条件的确定
• 4.4.1 入口边界条件
• 4.4.2 壁面边界条件
• 4.4.3 出口边界条件
• 4.5 冷态计算结果与分析
• 4.6 本章小结
• 5 燃气轮机燃烧室三维热态紊流数值模拟
• 5.1 热态时边界条件的确定
• 5.1.1 入口边界条件
• 5.1.2 壁面边界条件
• 5.1.3 出口边界条件
• 5.2 热态计算结果与分析
• 5.3 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 未来工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录