高速喷嘴内燃油预混合蒸发过程数值研究

论文摘要

低污染燃烧是未来先进航空燃气轮机燃烧室的发展趋势。贫油的燃油-空气预混预蒸发LPP（Lean Premixed Pre-evaporation）是LPP低污染燃烧的技术关键和必然要求。近年来,LPP燃烧技术已引起了国内外研究工作者和研究机构的广泛关注,现已进入试验应用阶段。本文针对预混预蒸发燃烧室的关键问题,即如何解决燃油-空气在形成可燃混合物过程中易引发燃料的自燃和回火进行了分析和CFD数值研究。认为必须使燃油-空气的LPP过程形成可燃混合物的时间小于燃油点火延迟时间。而采用燃油-空气交叉射流是实现高效的LPP过程的有效方式,当前的研究多以试验研究为主。本文针对有限空间内燃油-空气交叉射流的预混合过程和规律进行了CFD数值研究。在此基础上,结合他人的试验研究,设计了快速高效的LPP模型喷嘴。对其性能进行了预测,并对其在模型燃烧室内的预混燃烧效果进行了评估,使本文的研究结果具有工程应用价值。结合试验研究,用欧拉-欧拉两相流模型结合UDF,对浓相燃油单孔射流与高速空气射流的交叉混合过程进行了CFD数值模拟,得到了与试验结果相符合的结论。通过对射流动力学和射流穿透深度的规律研究,找到了影响射流的穿透深度和射流沿气流流动方向弯曲和肾涡形成的主要因素。系统地数值分析了肾涡随着内旋的逐渐增强导致表面断裂并破碎形成液滴的雾化机理和影响雾化效果的主要影响因素。在此基础上,本文设计了具有不同内部结构的快速混合喷嘴,并对停留蒸发时间、混合传热和总压损失等性能进行了数值仿真。从而得到了综合性能最佳的喷嘴内部组合结构设计。为验证本高速喷嘴的燃烧性能,参考他人的燃烧室试验,设计了多点直流喷射的LPP燃烧室,采用燃油蒸发混合气燃烧的多步反应机理,数值分析了高速喷嘴的燃烧特性。得到了LPP预混合燃烧的高效低NOx燃烧性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究目的和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 液体-空气交叉射流实验研究现状
• 1.2.2 液体-空气交叉射流数值研究现状
• 1.3 存在的主要问题
• 1.4 本文的研究内容
• 第2章 基本方程及计算条件
• 2.1 基本控制方程
• 2.1.1 质量守恒方程
• 2.1.2 动量守恒方程
• 2.1.3 能量守恒方程
• 2.1.4 组分质量守恒方程
• 2.2 湍流模型
• 2.2.1 直接数值模拟方法
• 2.2.2 大涡模拟
• 2.2.3 雷诺平均法
• 2.2.4 标准k- ε两方程模型
• 2.2.5 RNG k- ε模型
• 2.2.6 Realizable k- ε模型
• 2.2.7 壁面函数法
• 2.2.8 选择合适湍流模型
• 2.3 辐射模型
• 2.4 多相流模型
• 2.4.1 欧拉-拉格朗日方法
• 2.4.2 欧拉-欧拉方法
• 2.5 相变蒸发模型
• 2.6 非预混燃烧模型
• 2.7 相关无量纲参数
• 第3章 液相垂直射入空气射流中的预混合预蒸发特性
• 3.1 计算模型及网格划分
• 3.2 边界条件设置
• 3.2.1 空气进口边界条件
• 3.2.2 液体射流进口边界条件
• 3.2.3 出口边界条件
• 3.3 计算结果及分析
• 3.3.1 数学模型的适用性验证
• 3.3.2 燃油射流在等温气流中的预混合特性数值研究
• 3.3.3 射流穿透深度影响参数
• 3.3.4 破碎位置
• 3.3.5 燃油射流在热气流中的预混合蒸发特性的数值研究
• 3.4 本章小结
• 第4章 燃油快速预混合蒸发喷嘴的结构及性能
• 4.1 计算模型及网格划分
• 4.2 边界条件设置
• 4.3 计算结果与分析
• 4.3.1 环肋外径尺寸的确定
• 4.3.2 常规掺混喷嘴分析
• 4.3.3 加环肋喷嘴快速预混合蒸发的数值研究
• 4.3.4 加环槽喷嘴快速预混合蒸发的数值研究
• 4.3.5 环肋/环槽组合式喷嘴快速预混合蒸发的数值研究
• 4.3.6 径向混合分数分布系数
• 4.3.7 颗粒蒸发时间
• 4.3.8 总压损失
• 4.3.9 传热性能分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 快速预混预蒸发喷嘴燃烧室中的应用
• 5.1 计算模型及网格划分
• 5.2 计算结果及分析
• 5.2.1 快速预混合蒸发喷嘴在燃烧室中冷态应用
• 5.2.2 快速预混合蒸发喷嘴在燃烧室中的燃烧流场分析
• 5.3 本章小结
• 结论
• 附录Ⅰ 相变UDF 程序
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表（含录用）的学术论文