燃料裂解气燃烧技术研究

论文摘要

采用化学回热循环的燃气轮机,具有排热损失小、燃机低工况下的燃烧效率高、对火焰筒的热辐射低以及排气中污染物含量少等诸多优点。但若想让原本燃烧燃油的燃烧室能高效稳定地改烧化学回热产生的燃料裂解气,就必须对原来的燃烧室进行改进。本文开展的燃气轮机燃烧室燃料裂解气燃烧流场数值模拟研究工作对改善燃烧流场品质、指导燃油燃烧室改造设计具有重要参考价值。本文用FLUENT软件对某型燃气轮机燃烧室的燃烧流场进行了数值模拟。在数值模拟过程中,采用标准k-ε湍流模型、“简单化学反应系统”模型和“快速化学反应”假设,对控制方程的离散采用上风差分格式,用SIMPLE算法进行压力-速度耦合求解。主要工作及结论如下:1.对于无气膜孔的燃烧室:1)首先进行了燃油燃烧场的数值模拟,然后对喷嘴进行了改造,并对裂解气燃烧场进行了数值模拟。由模拟结果可知:随负荷的降低,燃烧效率下降,过量空气系数变大,火焰长度变短;改烧裂解气后,燃烧室出口的总焓值增加、燃烧效率提高、火焰筒壁面温度降低。2)改变了主燃孔和掺混孔的直径,对相应燃烧场进行了数值模拟,结果表明:随孔径的减小,燃烧室头部的过量空气系数变大、火焰变短、燃烧室出口温度场的均匀性变好。2.对于有气膜孔的燃烧室,进行了裂解气燃烧场的变工况数值模拟,并与无气膜孔时的相应情况进行了对比分析,可知:有气膜孔时,火焰筒壁面温度大幅下降,但火焰长度也变长了很多,致使燃烧室出口温度场的均匀性变差。3.针对原燃烧室燃烧流场中存在的一些问题,本文尝试了两种火焰筒改进方案,并进行了相应的数值模拟。根据模拟结果可知:1)将气膜孔下方的小壁面去掉后火焰筒壁面温度的均匀性变好,但平均温度升高。2)将气膜孔数目减少一半后,出口温度场的均匀性有了很大提升,同时对火焰筒壁面平均温度的影响不大。通过本文系列的数值模拟研究,较为全面地反应了燃料裂解气燃烧场的性质,从而可以对该燃烧室的结构改进和优化起到重要的指导作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究的目的及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 燃烧数学模型的国内外发展现状
• 1.2.2 燃烧流场数值模拟的国外研究现状
• 1.2.3 燃烧流场数值模拟的国内研究现状
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第2章 数学物理模型
• 2.1 基本控制方程
• 2.2 湍流流动模型
• 2.2.1 标准k-ε双方程模型
• 2.3 湍流燃烧模型
• 2.3.1 简单化学反应系统
• 2.3.2 快速反应的假定
• 2.3.3 混合分数
• 2.3.4 湍流扩散火焰模型
• 2.3.5 简单的概率密度分布函数
• 2.4 离散项模型
• 2.4.1 随机轨道模型
• 2.4.2 喷雾模型
• 2.4.3 液滴的蒸发
• 2.4.4 TAB破碎模型
• 2.5 本章小结
• 第3章 数值求解方法
• 3.1 方程的离散
• 3.1.1 常用的离散格式
• 3.1.2 源项的处理
• 3.2 压力-速度耦合求解
• 3.2.1 SIMPLE算法
• 3.2.2 基于非结构网格的SIMPLE算法
• 3.3 多重网格法
• 3.4 松弛法
• 3.5 边界条件
• 3.6 本章小结
• 第4章 燃油燃烧场的数值模拟
• 4.1 燃烧室的几何模型和网格划分
• 4.2 非预混燃烧的预处理
• 4.3 一些参数的确定
• 4.4 火焰长度的判定
• 4.5 数值模拟结果及分析
• 4.5.1 流场中各参数的分布情况
• 4.5.2 一些参数随负荷变化的趋势
• 4.6 本章小结
• 第5章 无气膜孔时裂解气燃烧场数值模拟
• 5.1 裂解气成分及热值的计算
• 5.2 非预混燃烧的预处理
• 5.3 喷嘴的改造方案
• 5.4 数值模拟结果及分析
• 5.4.1 流场中各参数的分布情况
• 5.4.2 一些参数随负荷变化的情况
• 5.5 改变主燃孔和掺混孔直径后的模拟结果
• 5.6 本章小结
• 第6章 有气膜孔时裂解气燃烧场数值模拟
• 6.1 有气膜孔的流场数值模拟
• 6.1.1 气膜孔的结构
• 6.1.2 流场中各参数的分布情况
• 6.1.3 流场内几个参数随负荷变化的情况
• 6.2 气膜孔的改进方法
• 6.2.1 方案一
• 6.2.2 方案二
• 6.3 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