基于网络法的燃气轮机燃烧过程计算与分析

论文摘要

基于网络法,本文对不同燃烧室进行了由简单到复杂的关于燃烧温度和NOx生成或平均速率的模拟。在模拟的过程中,针对不同的燃烧室条件和工况提出了不同的模型,并把模拟结果同实验数据或其它计算结果进行了比较,取得了较好模拟结果。网络模型的建立是解决问题的关键。对于出现反射流的高压射流混合反应器,双入口双PSR模型是一种行之有效的模型。相比之下,PSR和PSR-PSR模型都没有能够取得理想的模拟结果。部分混合反应器模型也对单PSR模型难于预测的工况进行了模拟,得到的模拟结果与实验数据较为一致。在此基础上,对复杂的燃烧室进行了网络模型建构,采取了逐步优化的方法对反应过程进行细化分析,最后利用CHEMKIN软件进行了模拟计算,取得了较好的模拟结果。研究发现,主燃烧区的模化是网络模型建立的关键。同一燃烧工况会因为网络模型建立的不同而导致燃烧温度区别很大。对于不同的燃烧工况,气体流量的变化和燃烧方式的不同会导致不同的流动方向和气流分配。这不仅意味着,网络模型可能因为工况的变化而发生变化,更重要的是反应器间流量的分配也可能会随之发生显著变化。主燃烧区最能体现这些变化。通过模拟发现,主燃区是燃烧温度最高的地方,同时也是气流速率最大的地方。调整主燃烧区燃料空气的当量比可以实现对燃烧温度的调控,从而实现热力型NOx降低。关于高压射流反应器中NOx的形成,当量比的提高大大增加了NOx的生成。另外从试验结果和网络模型原理来看,反射流不利于NOx的降低。因此,在燃烧系统中,应当尽量避免反射流的出现,并尽可能实现稀相燃烧以降低NOx。本文探索了一些有效的网络模型,可用于简单或复杂燃烧系统燃烧温度和NOx生成或平均速率的预测和模拟,为高效低污染燃烧装置的研究与优化设计提供依据。本文还为进一步发展部分混合反应器PaSR模型对NOx生成和燃烧温度的模拟奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 研究背景
• 1.2 燃气轮机燃烧室
• 1.2.1 低污染燃烧室
• 1.2.2 超低 NOx 燃烧室
• 1.3 NOx 生成机理
• 1.4 反应机理GRI Mech 3.0 简介
• 1.5 国内外对燃烧室燃烧的模拟计算概述
• 1.5.1 物质平衡和热平衡计算方法
• 1.5.2 计算流体力学方法
• 1.5.3 网络法
• 1.6 课题研究的目的和内容
• 第2章 燃烧数学模型
• 2.1 全混反应器（PSR）模型
• 2.1.1 概述
• 2.1.2 一般方程
• 2.2 柱塞流反应器（PFR）模型
• 2.2.1 概述
• 2.2.2 一般方程
• 2.3 部分混合反应器（PaSR）模型
• 2.3.1 概述
• 2.3.2 联合概率密度函数（joint PDF）输运方程
• 2.3.3 分子混合模型
• 2.3.4 反应器方程
• 2.3.5 随机模拟
• 2.4 小结
• 第3章 高压射流反应器模拟
• 3.1 高压射流反应器简介
• 3.2 单PSR 模型对预热HP-JSR 燃烧温度和NO 模拟
• 3.3 两种模型对非预热HP-JSR 燃烧温度和 NO 模拟
• 3.4 双入口双PSR 模型对某些工况HP-JSR 燃烧温度和NO 模拟
• 3.5 PaSR 模型对某些工况HP-JSR 燃烧温度和NO 模拟
• 3.6 小结
• 第4章 某常规燃烧室的模拟
• 4.1 燃烧室简介
• 4.2 燃烧室的初步模拟及其结果分析
• 4.2.1 燃烧室模型初步构建
• 4.2.2 初步模拟及其结果分析
• 4.3 燃烧室模拟的优化及其结果分析
• 4.3.1 燃烧室模型的进一步优化
• 4.3.2 优化模拟结果分析和比较
• 4.4 小结
• 第5章 某分级预混燃烧室的模拟
• 5.1 燃烧室简介
• 5.2 低负荷工况燃烧温度和平均速率及 NO 模拟
• 5.2.1 初步模拟及其结果分析
• 5.2.2 优化模拟及其结果分析
• 5.3 全负荷工况燃烧温度和平均速率及 NO 模拟
• 5.3.1 初步模拟及其结果分析
• 5.3.2 优化模拟及其结果分析
• 5.4 小结
• 第6章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果