燃气燃烧器流场及燃烧特性数值模拟

论文摘要

气体燃料因具有较高的燃烧效率和低污染排放等特点,随着西气东输工程的实施,其越来越得到更加广泛的应用。燃烧器作为气体燃烧的主要设备,对于气体的高效清洁利用具有非常重要的作用。目前针对气体燃烧器的研究主要是通过几何结构改变、燃烧控制等手段,实现对火焰的控制。本文对目前应用较广的强旋流气体燃烧器和新型侧边微孔燃烧器,运用数值模拟结合实验研究的方法开展了详细的研究,以此来探讨气体燃烧控制机理和方法,并通过几何结构和运行工况的优化来实现对火焰的控制,从而达到加强燃料与空气的混合,提高燃烧效率并降低污染排放。本文针对典型的强旋流燃烧器TECFLAM,分别采用三种湍流模型（即标准κ-ε模型、RNG模型和修正后的雷诺应力模型）,三种燃烧模型（即有限速率/涡耗散模型、平衡化学反应PDF模型和稳态火焰面模型）,耦合详细的甲烷燃烧化学反应机理,模拟得到温度场、速度场和主要燃烧产物的浓度场,模拟研究表明,采用不同的模型都能够反映出强旋流燃烧流场的特点,但是与实验值的吻合程度上存在较大差别,采用RSM模型耦合详细化学反应机理的稳态火焰面模型其模拟值与实验值较为接近。本文运用LES方法对Re为10000的圆形、方形、矩形结构的冷态湍流射流进行了模拟分析,模拟结果表明,当喷口改为方形和矩形喷口后,由于横截面的不规则,导致射流扰动有不同增加,卷吸周围空气能力增强,轴向速度衰减加快。但单单改变喷口截面形状,仅仅只能够减短混合能力较差的射流初始段,并不能消除。对侧边微孔燃烧器不同孔数和在不同流量比下冷、热态流场的模拟,研究结果表明：侧边微孔结构能够增加对流体的扰动,中心轴向速度衰减加快。随着孔数的减少、侧边微孔流量的增加,轴向速度衰减加快；相对而言,2孔和3孔结构中心轴向速度衰减最快。通过比较主射流和侧边微孔在8:2流量比下不同微孔结构的火焰结构和甲烷浓度分布情况,研究发现由于侧边微孔扰动作用,增强了近场区域燃料与空气的混合,火焰刚度增强而变短,射流初始区域的低温区缩短,火焰高温区域前移,火焰温度峰值增高；同时火焰面卷吸空气量的增加,火焰湍流度增强。对比不同侧边微孔结构发现,2孔和3孔结构甲烷燃烧较快,火焰的长度较短,近场低温区域相对较短,中心轴线温度上升速度较快；6孔结构最差。并且4孔和6孔火焰由于湍流增强而引起火焰分段现象,而2孔和3孔火焰能够保持相对连续火焰结构。比较不同结构的NOx组分的质量分数,0孔结构生成NOx最多,其次依次是2孔、3孔、6孔和4孔。通过对侧边微孔结构的冷态和热态数值模拟,可以看出增加侧边微孔后,射流的混合作用增强,火焰温度峰值增大,低温区域相对减小,高温区域距离喷口距离变短,其中2孔和3孔结构混合作用相对最强,在一定的流量比的稳定燃烧情况下火焰最短。最后本文通过对不同侧边微孔结构的燃烧器进行了冷态实验,实验结果表明,对于不同侧微孔结构,2孔和3孔结构中心轴向速度衰减最快,实验结果较准确的反映出模拟的规律。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 本文主要研究内容及章节安排
• 1.3 本文研究方法
• 2 气体燃烧国内外研究进展
• 2.1 气体燃烧技术
• 2.1.1 高温空气燃烧技术
• 2.1.2 富氧燃烧技术
• 2.1.3 振荡脉冲燃烧技术
• 2.1.4 其他燃烧技术
• 2.2 新型燃烧器结构研究
• 2.2.1 自激振荡涡核理论
• 2.2.2 几何结构研究
• 2.2.2.1 扩散燃烧器喷口设计
• 2.2.2.2 不同结构的同轴射流燃烧器
• 2.2.3 振动励激燃烧控制
• 2.3 本章小结
• 3 强旋流气体燃烧器数值模拟
• 3.1 控制方程
• 3.1.1 连续性方程
• 3.1.2 动量方程
• 3.1.3 能量方程
• 3.1.3.1 有限速率/涡耗散模型
• 3.1.3.2 平衡化学反应PDF模型
• 3.1.3.3 火焰面模型
• 3.1.3.4 辐射模型
• 3.2 TECFLAM燃烧器数值模拟
• 3.2.1 TECFLAM燃烧器介绍
• 3.2.2 边界条件
• 3.2.3 燃烧模型参数的设置
• 3.2.4 计算方法
• 3.3 计算结果分析比较
• 3.3.1 流场计算结果
• 3.3.2 温度场计算结果
• 3.3.3 不同组分的平均质量分数计算结果
• 3.4 本章小结
• 4 不同喷口结构的自由射流燃烧器数值模拟
• 4.1 LES模型
• 4.2 物理模型介绍
• 4.3 普通圆形、方形和矩形喷口的冷态流场分析
• 4.3.1 边界条件
• 4.3.1.1 主射流边界条件设置
• 4.3.1.2 其他边界条件
• 4.3.2 计算方法
• 4.3.3 计算模型的验证
• 4.3.4 三种喷口结构的计算结果分析
• 4.3.4.1 涡量场分析
• 4.3.4.2 速度分布
• 4.4 不同孔数的侧边微孔结构的冷态流场分析
• 4.4.1 边界条件
• 4.4.1.1 主射流边界条件设置
• 4.4.1.2 侧孔边界条件
• 4.4.2 计算方法
• 4.4.3 计算结果分析
• 4.4.3.1 涡量场分析
• 4.4.3.2 速度分布
• 4.5 不同孔数的侧边微孔结构的热态流场分析
• 4.5.1 物性参数
• 4.5.2 边界条件及计算方法
• 4.5.3 计算结果分析
• 4.5.3.1 温度场分析
• 4.5.3.2 主要组分的分析
• 4.6 本章小结
• 5 带侧边微孔燃烧器的冷态实验研究
• 5.1 概述
• 5.2 实验装置及工况介绍
• 5.3 实验结果分析
• 5.4 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历及攻读硕士期间发表的文章