火焰筒头部结构对燃烧特性影响研究

火焰筒头部结构是影响预混燃烧的关键参数，试验研究了扩张角55°(渐扩)、90°(突扩)火焰筒分别匹配旋流数0.45、0.65旋流器对燃烧性能的影响。结果表明：突扩火焰筒较渐扩具有更低的贫油熄火极限，且无论突扩还是渐扩火焰筒，均匹配较大旋流数(S_N=0.65)具有更低的熄火极限；突扩型火焰筒温度场对旋流器适应性好，各旋流数下均获得较均匀温度场，出口温度分布系数为0.1313～0.1392;渐扩火焰筒对旋流器适应性差，匹配较小旋流数(S_N=0.45)温度场均匀性更好，出口温度分布系数为0.1335;突扩火焰筒在NOx排放上具有优势，且匹配小旋流数更佳；渐扩火焰筒在CO、UHC排放上具有优势，且匹配大旋流数更佳。     

降低冒烟数燃烧室火焰筒头部改进设计研究

为了解决某型航空发动机燃烧室冒烟数较大的问题,通过分析航空煤油的燃烧化学反应过程和燃烧室内油气掺混燃烧过程,确认了炭烟的产生主要发生在初级反应阶段火焰筒的头部区域。因此提出改进措施,将火焰筒头部的单级旋流器更换为旋流杯,并对旋流杯的结构参数进行调整。采用数值模拟及扇形试验对改进前后的火焰筒性能进行对比分析。研究表明：相对于单级旋流器,旋流杯使燃烧室头部流场由单涡结构变为双涡结构,燃油分布更加均匀,在头部高温的环境中降低了局部富油程度,从而减少了头部炭烟的生成;改进后,燃烧室冒烟数大幅降低,总压恢复系数变化不大,贫油熄火油气比达到了0.004 6,能够满足发动机使用要求。     

旋流预混燃烧室燃烧特性及排放特性的数值模拟研究

为了综合考察燃气轮机燃烧室在高稳定性、低排放以及燃料适应性等方面的新要求,基于旋流预混燃烧技术,通过三维数值模拟方法开展了甲烷/空气、丙烷/空气预混燃烧特性及排放特性研究。结果表明：在一定的预混气进气质量流量条件下,当量比增大易引发回火,燃烧温度更高,同时NO_x排放指数增大,增加预混气质量流量,可在一定程度上提高回/熄火极限;当量比固定,增加预混气进气质量流量可避免潜在的回火现象,且NO_x排放指数线性降低;旋流器的旋流数增大能形成强旋流,稳定火焰,降低NO_x排放指数,但过大的旋流强度会引发回火现象;相比于甲烷/空气预混燃烧,丙烷/空气预混燃烧温度偏高,NO_x排放指数较大,但回熄火边界更宽,对应更广阔的稳定燃烧区间。     

三级旋流杯燃烧室流场测量与数值模拟

为满足高温升高热负荷燃烧室头部设计要求,参照旋流器设计准则,设计4种不同三级旋流杯燃烧室,采用数值模拟和PIV试验相结合方法对其冷态流场进行初步研究。研究结果表明:第3级旋流器叶片安装角增加,火焰筒头部旋流特性更显著,回流区直径增大,有利于火焰稳定;同时主燃孔射流深度增加,有利于截断火焰。第3级旋流器叶片数增加,主流速度衰减加快,气动损失增大,使火焰筒头部进气量减少,同时削弱三级旋流杯出口气流旋转强度,火焰筒头部回流区直径减小,不利于燃烧。     

旋流器和射流孔流通面积对燃烧室流场及温度场影响的数值研究

针对微型燃气轮机机组中燃烧室总压损失较高的问题,利用ANSYS Fluent软件对火焰筒内部的流场和温度场进行了数值模拟研究,分析了增大火焰筒旋流器及射流孔的流通面积前后,火焰筒内轴向速度、切向速度、回流区、壁面温度和出口温度分布等的变化规律。结果表明:同时增大旋流器、主燃孔和掺混孔的流通面积,分别增大21%、40%和44%,总压损失由6. 34%降至3. 97%,但会引起火焰筒内回流区范围减小,掺混效果降低和燃烧不稳定等问题。     

中心分级燃烧室旋流角变化对燃烧特性的影响

实验研究了一种中心分级燃烧室值班级旋流角变化对燃烧性能的影响。采用了单头部单管式燃烧室,值班级一级旋流器旋流数分别为0. 63、0. 72和0. 93,实验研究了采用不同旋流数时燃烧室的点火、慢车贫油熄火、污染物排放和燃烧效率等燃烧特性。实验结果表明:旋流数变化对燃烧室的点火、慢车贫油熄火、污染物排放及燃烧效率等有很大影响;旋流数及一级旋流器和二级旋流器的旋流数差值增加后燃烧室的点火和慢车贫油熄火特性得到改善。一级旋流器旋流数的增加会导致污染物排放的增加及燃烧效率的下降。     

贫预混低旋流燃烧器吹脱极限和流场的测量

贫预混低旋旋流燃烧是增强火焰稳定性和控制NOx排放的有效手段,旋流器安装角对于火焰稳定性和流场结构具有重要影响。对两个不同安装角的低旋流燃烧器吹脱极限和冷、热态流场进行了测量分析。结果表明,吹脱旋流数与当量比呈线性关系,旋流器安装角较大时燃烧器稳定火焰的能力受当量比的影响较大。发散角、回流区和湍动能均受旋流器安装角变化的影响。     

火焰稳定器对直喷式燃烧室污染物生成影响的研究

研究了不同火焰稳定器对直接喷射式燃烧室燃烧和污染物排放的影响.实验中所用的火焰稳定器为30°、45°和60°旋流角的旋流器和三种开孔率不同的多孔板.采用Testo360燃气测试仪测量不同工况条件下相应的燃烧室出口温度,以及NOx和CO生成量.通过对采用不同火焰稳定器燃烧室所得到的燃烧与排放性能的分析比较,得到了多孔板的开孔率和旋流器的旋流角度对污染物排放的影响结果.     

天然气低排放旋流燃烧室头部结构性能研究

本文设计了一种旋流燃烧室的旋流器及预混段结构。通过冷态数值模拟的方法评估了掺混段出口的总压损失及掺混不均匀度。计算结果显示同向双级旋流器能够在相对较低的总压损失下获得较好的掺混效果。之后通过相同的方法确定影响该型旋流器性能的四个几何参数:内层旋流数、外层旋流数、喷嘴直径和内外层流道面积比。研究结果得出了旋流器设计的具体尺寸。配合该旋流器设计,又通过燃烧数值模拟设计了三种掺混区布局。结果表明,较短的中心钝体结构会引起火焰锋面位置向燃烧室下游偏移,造成平面型火焰面,另外还会在掺混区中产生不稳定的回流区。最后通过改变预混段外径、中心体长度和直径得到了综合性能良好的燃烧室结构。     

旋流强度对F级燃气轮机燃烧稳定性影响分析

旋流器是目前燃烧室中常用的稳定火焰的结构,主要通过气体经过旋流器后在下游形成的回流区来稳定火焰。一般采用旋流数表征旋流器的旋流强度。旋流数一方面会影响空气和燃料的掺混,另一方面会影响回流区的尺寸,从而对火焰的长度和稳定性产生影响。针对某重型燃气轮机的燃烧器,采用数值模拟的方法分析了旋流数变化对热态温度场的影响,同时采用三维有限元方法分析了旋流数对燃烧稳定性的影响。结果表明:旋流数增加,会使得火焰更加紧凑,长度缩短,同时使得燃烧室二阶周向模态稳定性恶化,不稳定的风险增加;降低旋流数会使得火焰长度增加,轴向模态稳定性恶化。该研究结果可为类似机组的相关设计研究提供参考和借鉴。     

天然气塔式同轴分级燃烧室掺氢燃烧特性 数值模拟研究

为了解天然气掺氢对贫预混燃气轮机性能的影响,采用Chemkm-pro研究了燃料的化学反应动力学 特性,对比了不同当量比、掺氢比下的绝热火焰温度、层流火焰传播速度及点火延迟时间,结果表明掺氢能缩 短燃料点火延迟时间,增加绝热火焰温度及提高火焰传播速度。进一步以天然气塔式同轴分级燃烧室为研 究对象,研究了掺氢比对燃烧室燃烧场分布及燃烧效率、总压损失系数、温度分布不均匀度、一氧化碳及氮氧 化物排放量等性能参数的影响。结果表明,随着掺氢比的增加,燃烧效率上升,总压损失系数增加,温度分布 不均匀度下降,一氧化碳排放量下降,氮氧化物排放量增加。掺氢比在35%时燃烧室发生回火。在30% ~ 35%掺氢比范围内,燃烧室性能参数变化较大。其中,总压损失系数增幅为24. 74%,温度分布不均匀度降幅 为31.11%,氮氧化物排放量增幅为416.12%。     

当量比对环管型燃烧室内NOx生成特性影响的研究

采用数值模拟方法研究了当量比对环管型燃烧室内燃烧及NO_x生成特性的影响,分析了不同当量比时燃烧室内流场、温度场、热力型NO_x生成速率分布、出口温度分布系数(OTDF)及出口NO_x浓度的变化。模拟过程中,保持空气量不变,通过调整入口甲烷量来改变当量比。研究表明:增大当量比,燃烧室内燃烧反应速率加快,轴向速度升高,高温区域沿径向扩张,其范围明显扩大,热力型NO_x生成速率加快,其高速率范围与高温区域重合,出口NO_x浓度上升,而OTDF始终处于合理范围内。因此,在当量比为0.48~0.54范围内,适当降低当量比有利于控制出口NO_x浓度。     

Effects of the geometry of downstream pipes with different angles on the shock ignition of high-pressure hydrogen during its sudden expansion

To investigate the effects of the geometry of downstream pipes on the shock ignition and the formation of the shock waves during high-pressure hydrogen sudden expansion, a series of bench-mark experiments were designed and high-pressure hydrogen were released into five types of pipes with different angles (60, 90, 120, 150 and 180°). It was found that the geometry of downstream pipes had a significant influence on the shock ignition of hydrogen. The incident shock wave would be reflected at the corner of the pipes with angles of 60, 90, 120 and 150°. The intensity of the reflected shock wave is higher if the angle is smaller. In addition, the average velocity of the leading incident shock wave would decrease when it passed the corner of the pipe. Using a pipe with smaller angle significantly increases the likelihood of shock ignition and lowers the minimal required burst pressure for shock ignition. The overpressure of the incident shock waves inside the exhaust chamber (for the cases with the angles of 60, 90, 120 and 150°) decreases sharply. There are three flame propagation behaviors inside the exhaust chamber: flame quenching, flame separation and no flame separation. The results of this study have implications concerning designs for storage safety of hydrogen energy and may help get better understanding of shock ignition mechanism of high pressure hydrogen and effect of pipeline geometry on ignition.     

An Investigation on the Effect of Air Swirler Vane Angle on Liquid Fuel Combustion Characteristics

This is an experimental and numerical study on the effect of air swirl vane angle on combustion characteristics of liquid fuel burners. The swirl vane angle varied in a range from 0° to 75° and the values of the dependent variables were determined. The flame temperature was measured by an S‐type thermocouple and a Testo 350 XL gas analyzer was used to determine the NO and CO pollutant concentrations. Also, sprint CFD code along with suitable models was used in analytical modeling. The results indicate that there is an optimum angle for the swirl vane (approximately 45° for the case study). At the optimum angle, the average temperature of the flame increases as much as 12.5% and 28.5% in comparison with small and large angles, respectively. Therefore, combustion efficiency reaches its maximum level and CO emission is at an extremely low level. The results also demonstrate that large swirl angles decreases NO emission.     

体积力场对预混火焰面形状的影响

介绍了一种在燃烧场中产生大于1g体积力的实验系统,分析了影响体积力场的因素．利用实时摄像的方法,研究了在燃烧过程中体积力对预混火焰面形状的影响．结果表明,高温烟气在体积力场中的浮力效应,使火焰面向与体积力相反的方向弯曲、偏转．体积力增加将导致火焰面变形程度增加,并导致燃烧过程不稳定,以致发生熄火．气流的射流角不同,体积力对火焰面的影响效果不同,火焰面会发生弯曲、拉伸或压缩．当射流角为负值时,火焰容易发生吹熄．     

几何结构对贫油直喷燃烧室流场特性影响的研究

基于现有单点贫油直喷燃烧室,采用数值模拟方法研究了头部几何角度对燃烧室流场特性的影响。分别对比了冷态与燃烧态条件下不同头部几何角对燃烧室轴向速度分布、燃烧效率、总压损失等特性的影响。研究表明:在所研究的几何角度范围内,冷态下头部几何角度对回流区的长度影响很小,对回流区内轴向速度分布具有较大影响。燃烧态下随着头部几何角度的增加,回流区轴向尺寸逐渐增加,中轴线上轴向速度值逐渐降低。燃烧室的出口平均温度、燃烧效率、总压恢复系数基本保持不变,60°结构产生的NO_x生成量最低,30°结构产生的NO_x生成量最高。     

Experimental study on the small‐scale diffusion flame of ethanol and the wall temperature field

An experimental investigation was carried out on the diffusion flames of liquid ethanol burning in air. Ceramic tubes with different inner diameters were used as burners. Three different flame structures at different flow rates were identified and different combustion regions were divided based on the experimental results. Some relevant factors which may affect the flame height and width were discussed. The outer surface wall temperature field of the tubes was measured in the combustion process. The results showed that both flame height and flame width all increased proportionally with an increasing flow rate in the steady flame region. Both flame height and flame width decreased with a decreasing tube inner diameter at the same flow rate. By decreasing the tube inner diameter, the quenching flow rate was decreased, the flow rate according to the produced periodic explosive flame decreased, and the flow rate range of the steady flames decreased. The outer wall temperature field presented an exponential distribution, and the wall temperature reached the greatest value at the outlet of the ceramic tube. © 2009 Wiley Periodicals, Inc. Heat Trans Asian Res; Published online in Wiley InterScience ( www.interscience.wiley.com ). DOI 10.1002/htj.20282     

尾水管扩散段结构变化对低水头混流式水轮机性能的影响

为探究低水头混流式水轮机尾水管扩散段底板抬起角对其性能的影响,结合西南某水电站增效扩容项目,在保证尾水管扩散段上下面角度不变的前提下,拟定了两套扩散段底板抬起角方案,利用相关软件建立了高效区内导叶开度为35°时水轮机的水体模型,并对其进行了流场数值模拟。结果表明,尾水管扩散段底板抬起角对水轮机效率影响不大,对水轮机出力和尾水管回能系数影响较大;随着底板抬起角的增加,相同水头下水轮机出力逐渐减小;在低水头(小流量)时,有适当的底板抬起角比没有时更有利。