湿空气扩散火焰的实验和数值研究

论文摘要

湿空气燃烧作为HAT、IGCC以及IGHAT等先进热力循环中的关键过程之一,其性能的优劣直接关系到热力循环系统的性能。因此本文针对构建循环的需要,对天然气和煤气化合成气在湿空气中的扩散燃烧进行了实验和数值研究,目的是更清晰、深入地理解湿空气燃烧的概念,从而对燃气轮机的湿空气燃烧操作和湿空气燃烧室的设计提供帮助。 首先研究了空气加湿对于火焰形态、尺寸和颜色的影响。通过实验研究发现,在加湿的同时增加燃料量,从而保持燃烧室出口温度相同的情况下,天然气火焰的尺寸随空气湿度的增加会大幅增加。而对于合成气火焰,空气加湿对于火焰尺寸的影响不明显。通过理论分析和数值模拟可以得知,空气加湿后氧浓度和流场的共同作用导致火焰尺寸改变。根据研究结果提出了改善甲烷—湿空气扩散火焰尺寸过大状况的措施,通过实验验证了该措施的可行性。 随后对湿空气扩散火焰的稳定性进行了研究。实验结果表明,甲烷—湿空气火焰的稳定性要比合成气—湿空气火焰差很多。通过分析和计算得出了甲烷火焰稳定性较差的原因,针对甲烷火焰提出了改善稳定性的措施,并且进行了实验验证。 最后对不同燃料湿空气燃烧的污染物生成和排放特性进行了研究。全尺寸燃烧室的实验结果表明,空气加湿对于碳氢燃料与合成气火焰污染物排放的影响不同,尤其是对CO排放的影响。针对在空气加湿影响CO排放方面存在的疑问,本文运用对冲扩散火焰从化学机理方面对其进行了计算分析。随后在模型燃烧室中对合成气—湿空气扩散火焰的CO排放机理进行了研究,发现CO排放并非随含空气湿量单调增加,而是先减后增。数值模拟的结果明确地解释了出现这种趋势的原因。 通过本文的研究,空气加湿影响扩散火焰和燃烧室性能的轮廓基本清晰。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 引言
• 1.1 研究背景
• 1.2 湿空气燃烧的国内外研究现状
• 1.2.1 湿燃烧的发展历程
• 1.2.2 湿空气燃烧的研究现状
• 1.2.3 当前研究中存在的问题和不足
• 1.3 本文的主要研究内容
• 2 实验台系统和数值模型
• 2.1 概述
• 2.2 模型燃烧室实验系统
• 2.2.1 模型燃烧室
• 2.2.1.1 模型燃烧室结构
• 2.2.1.2 旋流数
• 2.2.2 蒸汽发生器
• 2.2.2.1 含湿量
• 2.2.3 温度测量
• 2.2.4 组分浓度测量
• 2.2.4.1 采样探针
• 2.2.4.2 组分浓度指标
• 2.3 全尺寸燃烧室
• 2.3.1 实验系统
• 2.3.2 测量系统
• 2.4 数值模拟方法
• 2.4.1 一维模型
• 2.4.1.1 物理模型
• 2.4.1.2 控制方程
• 2.4.1.3 化学反应模型
• 2.4.1.4 计算分析方法
• 2.4.2 二维模型
• 2.4.2.1 控制方程
• 2.4.2.2 Flamelet燃烧模型
• 2.4.2.3 组分 PDF输运方程燃烧模型
• 2.4.3 化学反应机理
• 3 湿空气燃烧的总体特征
• 3.1 概述
• 3.2 湿空气燃烧的火焰尺寸
• 3.2.1 实验思路和工况表
• 3.2.2 火焰尺寸随含湿量的变化
• 3.2.2.1 空气含湿量的变化对于甲烷火焰尺寸的影响
• 3.2.2.2 空气含湿量对于合成气火焰尺寸的影响
• 3.2.3 火焰尺寸变化的原因
• 3.2.3.1 氧浓度对火焰尺寸的影响
• 3.2.3.2 流场结构对火焰尺寸的影响
• 3.2.3.3 含湿量影响火焰尺寸的机理
• 3.2.3.4 湿空气火焰尺寸增大的对策
• 3.3 空气加湿对于火焰颜色的影响
• 3.3.1 火焰颜色的含义
• 3.3.2 火焰颜色变化的意义
• 3.4 本章小结
• 4 湿空气旋流火焰的稳定特性
• 4.1 概述
• 4.2 空气加湿对火焰稳定性的影响
• 4.2.1 实验思路和工况设计
• 4.2.2 甲烷-湿空气火焰的稀态熄火极限
• 4.2.3 合成气-湿空气火焰的稀态熄火极限
• 4.2.4 湿空气对不同燃料的稳定性影响的特点
• 4.3 扩散火焰的稳定机理
• 4.4 空气加湿对层流火焰传播速度的影响
• 4.4.1 层流火焰传播速度数值模型
• 4.4.2 空气加湿对层流火焰传播速度的影响
• 4.4.2.1 甲烷-湿空气火焰的层流火焰传播速度
• 4.4.2.2 合成气-湿空气火焰的层流火焰传播速度
• 4.4.2.3 甲烷和合成气的层流火焰传播速度的异同
• 4.4.2.4 层流火焰传播速度对于火焰稳定性的影响
• 4.4.2.5 预热温度对于层流火焰传播速度的影响
• 4.5 改善甲烷火焰稳定性的措施及实验验证
• 4.5.1 提高预热温度改善火焰稳定性
• 4.5.2 降低空气出口速度改善火焰稳定性
• 4.6 本章小结
• 5 湿空气燃烧中的污染物生成特性
• 5.1 概述
• 5.2 全尺寸燃烧室中的污染物排放测试
• 5.2.1 实验工况
• 5.2.2 NO生成特性
• 5.2.3 CO排放
• 5.2.4 本节主要结论
• x排放影响的机理'>5.3 空气加湿对于 NO_x排放影响的机理
• 5.3.1 边界条件和工况列表
• 5.3.2 计算结果和分析
• 5.3.2.1 火焰温度场
• x生成相关的主要组分浓度分布'>5.3.2.2 NO_x生成相关的主要组分浓度分布
• 5.3.3 本节小结
• 5.4 CO生成特性
• 5.4.1 概述
• 5.4.2 甲烷-湿空气对冲扩散火焰中CO的生成特性
• 5.4.2.1 计算工况的选择
• 5.4.2.2 火焰的总体特征
• 5.4.2.3 水的作用
• 5.4.2.4 加湿对 CO的影响
• 5.4.2.5 加湿对影响 CO生成的中间基浓度的影响
• 5.4.2.6 分析和小结
• 5.4.3 合成气-湿空气对冲扩散火焰中CO的生成特性
• 5.4.3.1 计算工况
• 5.4.3.2 合成气扩散火焰的总体特征
• 5.4.3.3 加湿对合成气火焰中CO的排放的影响
• 5.4.3.4 空气加湿对于合成气火焰中CO参与的主要反应的影响
• 5.4.3.5 空气加湿对于合成气火焰中参与 CO反应的自由基的影响
• 5.4.3.6 H基参加的主要反应
• 5.4.3.7 加湿对于合成气火焰中CO排放的影响
• 5.4.4 模型燃烧室中合成气-湿空气扩散火焰中CO的生成特性
• 5.4.4.1 研究思路
• 5.4.4.2 实验工况
• 5.4.4.3 实验结果
• 5.4.4.4 数值模拟结果与实验结果的对比
• 5.4.4.5 空气含湿量对 CO排放影响的机理
• 5.5 本章小结
• 6 研究结果对湿空气燃烧室喷嘴设计的一点启示
• 7 结论和展望
• 7.1 结论
• 7.2 对今后工作的建议
• 符号表
• 参考文献
• 附录A 化学反应机理
• 攻读博士论文期间发表的学术论文
• 致谢