多旋流LPP燃烧室燃烧特性的数值研究

论文摘要

燃气涡轮发动机向大功率,高推重比方向发展的同时,排气污染也不断增加。基于环境保护的要求,对燃气涡轮发动机排放物（尤其是NOx）也提出了更为严格的限制。降低NOx排放的重要手段之一是采用高效的贫燃料预混合预蒸发LPP（Lean Premixed Pre-evaporation）燃烧方式。而多旋流燃烧室是当前航空燃气轮机燃烧室设计采用的主要燃烧方式。多旋流具有稳定高效燃烧作用,而旋流数和流量分配是重要的操作参数。迄今为止的多旋流研究集中在稳定燃烧条件等方面。本文对多旋流燃烧过程进行分析后认为,压气机的高温空气在旋流杯内与雾化燃油有重要的预混合预蒸发LPP过程。当旋流器的结构一定时,空气流量分配对LPP过程有重要的影响。而旋流杯内的LPP过程所形成的部分燃油蒸发气与空气的可燃混合物,对燃烧室内的燃烧方式、燃烧状态有重要影响。本文采用CFD数值模拟方法对带有双级旋流器的旋流杯内部和燃烧室火焰筒头部的预混合预蒸发特性、燃烧特性进行了数值研究。预测了燃烧室内污染物的生成。对涉及多旋流燃烧室稳定燃烧的贫油熄火征兆现象进行了CFD数值研究。二级旋流器的流量分配对预蒸发预混合效果和燃烧状态有重要影响。参考他人二级旋流器模型燃烧室的试验研究,选定两级旋流器气体总流量为定值。改变一级旋流器与二级旋流器的流量分配比为1:5时,研究结果表明,在二级旋流杯内的预蒸发预混合效果较好。燃烧室内的燃烧状态符合性能要求,是较合适的流量分配比例。较高的流量分配比会导致火焰温度峰值高,可燃混合气和燃烧火焰集中于燃烧室的中后部,NOx污染排放高。较低的的流量分配比会导致可燃混合气和燃烧集中在旋流杯内部甚至出现回火现象。在此基础上,根据贫油熄火理论,结合他人的试验研究,对二级旋流燃烧的贫油熄火征兆进行了数值预测。本文的各项数值研究结果与他人的试验研究符合较好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究的目的与意义
• 1.2 多旋流LPP 燃烧技术
• 1.3 国内外发展现状
• 1.4 现有实验简介
• 1.5 本论题研究的对象及内容
• 第2章 燃烧室燃烧模拟的基本方程及数值计算方法
• 2.1 基本方程
• 2.1.1 质量守恒方程
• 2.1.2 动量守恒方程
• 2.1.3 能量守恒方程
• 2.1.4 组分质量守恒方程
• 2.2 湍流模型
• 2.2.1 N-S 方程时间平均法
• 2.2.2 涡粘模型
• 2.3 离散相模型
• 2.3.1 喷雾模型及喷嘴模型
• 2.3.2 液滴的传热、传质计算
• 2.3.3 液滴轨迹追踪
• 2.4 非预混燃烧模型
• 2.4.1 混合分数的输运方程
• 2.4.2 混合分数与组分质量分数、密度及温度之间的关系
• 2.4.3 湍流-化学相互作用模型
• 2.5 辐射模型-辐射换热的离散坐标法
• 2.5.1 辐射模型离散法
• 2.5.2 离散坐标方程
• 2.6 NOX 生成机理
• x'>2.6.1 热力型NO_x
• x'>2.6.2 瞬发型NO_x
• 第3章 多旋流LPP 燃烧室贫油预混合预蒸发特性
• 3.1 LPP 模型燃烧室的物理模型
• 3.2 计算条件
• 3.3 流场计算结果及分析
• 3.4 混合物分数场
• 3.5 数值模拟结果与现有实验结果的对比分析
• 3.6 本章结论
• 第4章 多旋流LPP 燃烧室的燃烧特性
• 4.1 计算条件
• 4.2 燃烧流场计算结果与分析
• 4.3 燃烧温场计算结果与分析
• x 计算结果与分析'>4.4 NO_x计算结果与分析
• 4.5 本章结论
• 第5章 多旋流燃烧室贫油熄火征兆的预测
• 5.1 多旋流动力学和贫油熄火征兆
• 5.1.1 旋转流动力学
• 5.1.2 泡状涡破碎模型
• 5.1.3 螺旋状涡破碎（单条和双条螺旋线）
• 5.1.4 泡型涡破碎向螺旋型涡破碎的转变
• 5.1.5 燃烧状态下的旋流
• 5.1.6 熄火前的火焰状态
• 5.1.7 火焰稳定
• 5.1.8 稳定机理
• 5.2 多旋流贫油熄火征兆的数值预测
• 5.2.1 计算条件
• 5.2.2 计算结果与分析
• 5.3 本章结论
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表（含录用）的学术论文