等离子点火器燃烧流场数值与实验研究

论文摘要

燃气轮机在冷启动时点火的可靠性是影响燃气轮机的机动性和安全性的重要因素之一。如果燃气轮机一次点火不成功，不但会在紧急工况下成倍增加发动机启动时间，而且还会由于在发动机通流部件内可能会存在的积油而引起燃烧室的爆燃或发动机着火，对发动机的安全性和使用寿命产生严重影响。等离子点火技术是一种新型的点火方式，它通过电离的空气在贫氧状态下对点火燃料进行热裂解，然后用高温燃料裂解气去点燃主火炬。它点火能量高、点火边界宽，可以大幅度提高燃气轮机点火的可靠性及稳定性。因此，深入开展等离子点火技术的理论研究和试验研究工作，对指导等离子点火器的设计与应用具有重要的意义。本文详细介绍了等离子点火技术国内外研究现状和燃烧流场的数值模拟进展，系统深入地分析了等离子点火器内部化学反应模型、流场数理模型和数值模拟方法。作者采用SIMPLEC算法和贴体网格对燃用液态和气态两种不同燃料的某型等离子点火器内部湍流燃烧流场进行了多个工况的数值模拟，并对计算结果进行了详细分析，得到了工作参数对等离子点火器工作性能影响的关系曲线，提出了衡量等离子点火器点火性能的出口总能量流率的考核方法。同时，为了进一步考察等离子点火器的点火性能，作者在等离子点火器试验台上进行了液体燃料和气体燃料的等离子点火试验，考察了该型等离子点火器的点火边界和工作性能。所作的工作对等离子点火器的设计和应用研究具有重要参考价值。在上述理论研究与试验研究的基础上，为了延长电极寿命和减轻重量，作者设计了一种具有电极强制冷却的新型等离子点火器。这种新型等离子点火器简化了设计结构，体积小巧，具有更好的工艺性和可维护性。作者用SIMPLEC算法在不同空气压差和供油压力的工况下对新型等离子点火器内部的燃烧流场进行了数值模拟与结果分析，得到了可以反映出点火器工作性能的相关曲线，并通过试验验证了方案的可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究的目的和意义
• 1.2 等离子点火技术国内外研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 燃烧流场的数值模拟进展
• 1.4 论文的主要研究内容
• 第2章 等离子点火器化学反应模型
• 2.1 等离子点火器化学反应动力学的基本原理
• 2.1.1 化学反应速率
• 2.1.2 反应速率方程和Arrhenius定理
• 2.2 燃烧机理简述
• 2.3 湍流燃烧反应模型
• 2.3.1 简单化学反应系统
• 2.3.2 混合分数
• 2.3.3 概率密度函数
• 2.3.4 简单的概率密度分布函数
• 2.3.5 概率密度分布函数输运方程模型
• 2.4 有限速率化学反应模型
• 2.4.1 涡团耗散EDM模型
• 2.4.2 涡团耗散概念EDC模型
• 2.5 本章小结
• 第3章 等离子点火器内部流场数学物理模型
• 3.1 等离子点火器内部反应流气相场的控制方程
• 3.1.1 混合气体连续方程
• 3.1.2 组元连续方程
• 3.1.3 动量方程
• 3.1.4 能量方程
• 3.1.5 状态方程
• 3.2 颗粒相模型
• 3.2.1 颗粒运动方程
• 3.2.2 颗粒相传热传质计算
• 3.3 湍流流动模型
• 3.4 辐射模型
• 3.4.1 DO辐射模型
• 3.4.2 角度的离散和象点处理
• 3.4.3 壁面边界条件处理
• 3.5 燃烧反应源项求解
• 3.6 本章小结
• 第4章 数值计算方法
• 4.1 计算区域的空间离散
• 4.2 控制方程的离散
• 4.2.1 任意曲线坐标下的控制方程
• 4.2.2 方程的离散化
• 4.3 边界条件的离散处理
• 4.4 基于交错网格的数值算法
• 4.5 本章小结
• 第5章 等离子点火器燃烧流场数值模拟
• 5.1 等离子点火器几何模型及工况
• 7H₁₆的非预混燃烧的预处理'>5.2 C₇H₁₆的非预混燃烧的预处理
• 7H₁₆湍流扩散燃烧的数值模拟结果及分析'>5.3 点火器C₇H₁₆湍流扩散燃烧的数值模拟结果及分析
• 5.3.1 平均混合分数分布
• 5.3.2 温度分布
• 5.3.3 速度分布
• 5.3.4 各物质摩尔体积分数分布
• 5.4 点火能量的衡量标准——出口总能量流率
• 4的数值模拟结果与分析'>5.5 气体燃料CH₄的数值模拟结果与分析
• 5.4.1 对称面上的各个参数分布
• 5.4.2 出口面上参数分布
• 5.4.3 流域内几个重要参数随空气过量系数变化的情况
• 5.6 本章小结
• 第6章 等离子点火器燃烧实验研究
• 6.1 等离子点火器实验台
• 6.2 液体燃料点火试验
• 6.3 液化石油气点火试验
• 6.4 本章小结
• 第7章 新型等离子点火器设计
• 7.1 新型等离子点火器结构
• 7.2 新型等离子点火器内部流场数值模拟
• 7.2.1 数值计算条件设置
• 7.2.2 计算结果及分析
• 7.3 实验验证情况
• 7.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢
• 个人简历