烟气发生器燃烧流场的数值模拟

论文摘要

本文的研究对象是某型涡轮增压器试验台上的烟气发生器,它是烟气发生装置,为试验台提供额定温度和流量的烟气,以确保涡轮增压器正常工作。随着计算流体力学和燃烧理论的发展,数值模拟烟气发生器内部燃烧流动、传热、传质等复杂过程已成为可能。应用数值模拟的方法可以对实验难以测量的参数进行预估,而不需要大量的实验,应用数值模拟的方法来解决烟气发生器燃烧性能的分析和工程设计,有利于提高工作的可靠性和经济性。本文针对烟气发生器内部稳态三维反应流进行了数值模拟,建立了烟气发生器稳态三维湍流反应流的数学模型。采用RNGk-ε双方程湍流流动模型模拟内部流动;采用化学反应的简单化学反应系统来模拟烟气发生器内部湍流扩散燃烧;采用颗粒群轨道模型来描述液滴离散相的运动轨迹和变化历程。在数值模拟过程中,对于控制方程采用一阶迎风格式的差分格式进行离散,壁面处理采用壁面函数法;采用SIMPLEC算法来解决压力速度耦合问题;用多重网格法来求解离散方程。本文首先对此烟气发生器原始设计方案进行三维建模和流场分析,并且找出原始设计中存在的问题,通过改进其几何结构,得到烟气发生器的结构优化方案。对烟气发生器进行数值模拟,得到了各流场参数同平均混合分数、混合分数脉动均方值的关系图,烟气发生器内部温度、压力、速度、流线、密度、各种燃烧产物体积分数等一系列湍流燃烧流场的特性参数分布,并对这些参数分布进行了分析。计算结果表明,由于原始设计方案结构的不合理,造成炉膛内流动不合理,燃烧集中,高温区贴近壁面,出口平均温度远低于设计要求等一系列问题。由此对原始结构做了较大改动,改变进气位置,并且添加了空气稳压室挡风板,更改了炉膛中部和后部的掺混结构。通过数值模拟表明,所采取的改进措施的效果明显,达到了优化燃烧,控制高温区范围的主要优化目的。

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 国外方面
• 1.2.2 国内方面
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第2章 数学模型和数值计算方法
• 2.1 数学模型
• 2.1.1 反应流基本方程
• 2.1.2 湍流流动模型
• 2.1.3 湍流扩散燃烧模型
• 2.1.4 离散相模型
• 2.2 数值计算方法
• 2.2.1 计算区域的离散化
• 2.2.2 任意曲线坐标系下的基本方程
• 2.2.3 基本方程的离散化
• 2.2.4 算法
• 2.2.5 迭代方法及松弛因子
• 2.3 本章小结
• 第3章 三维几何模型
• 3.1 设计方案
• 3.2 边界条件及计算工况
• 3.3 本章小结
• 第4章 烟气发生器湍流扩散燃烧的数值模拟
• 4.1 非预混燃烧的预处理
• 4.2 计算结果及分析
• 4.2.1 原始结构的计算结果与分析
• 4.2.2 结构优化后的计算结果与分析
• 4.3 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