烟气发生器燃烧流场计算与分析

论文摘要

本文研究的对象是某涡轮增压机组单机试验台上的烟气发生器,其用途是向涡轮增压机组的烟气涡轮供给额定温度和流量的烟气,以保证涡轮增压机组正常工作。作者对其内部的三维两相燃烧流场及其燃烧室性能进行了数值模拟,计算结果对试验方案的选取和烟气发生器的设计具有指导作用。本文在对烟气发生器内部扩散湍流燃烧流场进行数值计算时,采用RNGk-ε湍流模型对湍流特性进行模拟;采用快速反应简化PDF模型来模拟燃料燃烧;考虑到热辐射对壁温和气流温度的影响,采用离散坐标辐射（DO）模型;采用颗粒群轨道模型来描述液相油滴的运动轨迹和变化历程;采用污染物生成模型对热力NO和瞬发NO的生成进行模拟。数值模拟过程中,对控制方程采用迎风格式的差分格式进行离散,壁面处理采用标准壁面函数法;采用SIMPLEC算法来求解离散方程。本文根据此烟气发生器的设计图纸建立了三维实体几何模型;对多个稳态工况下的烟气发生器内部三维两相燃烧流场进行了数值模拟,得出了流场的温度、密度、速度、压力、燃烧产物体积分数、污染物体积分数等重要流场参数的分布,并对这些参数的分布进行了详细分析,提出了利用一氧化碳体积分数的分布来考核火焰长度的方法;同时还考虑了进口过量空气系数及工作负荷对流场的影响,给出了各个工况典型参数分布的比较图以及NOx排放特性,分析了过量空气系数、压力、温度对燃烧室内NOx生成特性的影响。通过分析对比得出:增大烟气发生器的一次空气流量可大幅度改善燃烧状态,控制高温区范围,降低出口截面氮氧化物的排放浓度;但一次空气流量越大,烟气发生器总压力损失越大;由满负荷工况过渡到低负荷工况时,烟气发生器总压力损失随之减小,出口截面的NOx排放浓度也随之降低;在中低负荷工况下,烟气发生器能够稳定地进行燃烧,火焰更短,出口温度分布更均匀,出口截面NOx排放浓度也较低。通过分析研究得到的结论,为此烟气发生器的研制提供了理论指导,也为进一步优化流场和降低污染物排放提供了帮助。

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 论文的主要研究内容
• 第2章 数学模型
• 2.1 引言
• 2.2 烟气发生器内部反应流气相场的控制方程
• 2.2.1 混合气体连续方程
• 2.2.2 组元连续方程
• 2.2.3 动量方程
• 2.2.4 能量方程
• 2.2.5 状态方程
• 2.3 颗粒相模型
• 2.3.1 颗粒运动方程
• 2.3.2 颗粒相传热传质计算
• 2.4 湍流流动模型
• 2.4.1 重正化群（RNG）k-ε双方程模型
• 2.4.2 壁面函数法
• 2.5 湍流燃烧模型
• 2.5.1 守恒标量与混合物分数
• 2.5.2 快速反应的假定
• 2.5.3 k-ω-g或k-ε-g模型
• 2.5.4 简化的PDF模型
• 2.6 辐射模型
• 2.6.1 DO辐射模型
• 2.6.2 角度的离散和象点处理
• 2.6.3 壁面边界条件的处理
• 2.7 污染物的生成模型
• 2.7.1 “热力”NO
• 2.7.2 “瞬发”NO
• 2.8 本章小结
• 第3章 三维几何模型的建立
• 3.1 设计方案
• 3.2 几何模型
• 3.3 边界条件及计算工况
• 3.4 本章小结
• 第4章 数值计算方法
• 4.1 引言
• 4.2 计算区域的空间离散
• 4.3 控制方程的离散
• 4.3.1 任意曲线坐标系下的控制方程
• 4.3.2 方程的离散化
• 4.4 算法
• 4.5 本章小结
• 第5章 烟气发生器燃烧流场的数值模拟
• 5.1 非预混燃烧的预处理
• 5.2 计算结果与分析
• 5.2.1 轴平面上的各个参数分布
• 5.2.2 对流场的影响因素
• 5.3 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