旋流燃烧室内分级进风对燃烧污染物生成的影响

建立了采用分级进风方式的旋流燃烧室试验装置.在此试验装置上分别对天然气和煤粉进行了湍流旋流燃烧的试验研究.在保持过量空气系数和旋流数不变的条件下,采用不同分级进风比率时测量了燃烧室内烟气的时均温度场、O2、CO和NO浓度场的分布,并分析讨论了分级进风率对旋流燃烧室内湍流燃烧及污染物生成的影响.结果表明:在天然气燃烧过程中,加大二次旋流风率可减少NO的生成;在煤粉燃烧过程中,加大二次旋流风率会增加NO的生成.     

分级进风旋流燃烧室内湍流燃烧的数值模拟

应用考虑湍流-化学反应相互作用的代数二阶矩-概率密度函数(PDF)湍流燃烧模型,对分级进风旋流燃烧室内两组工况下的甲烷湍流燃烧进行了数值模拟,得到的二氧化碳浓度和气体轴向脉动速度均方根值分布与实验数据相符合,得到的气体轴向和切向速度、轴向一切向脉动速度关联量、温度和氧气浓度分布与实验数据基本相符合.研究结果表明,选取适当的二次风率可以起到优化燃烧过程的作用.     

燃气轮机燃烧室内NOx生成影响因素的数值研究

低NOx燃气轮机燃烧室的燃烧特性受到旋流的强烈影响，旋流特性的分析对燃烧室的设计和优化具有非常重要的作用。本文对燃气轮机燃烧室的旋流燃烧流动，应用商用程序FLUENT进行了数值模拟，并分析了旋流数、压强、湍流度对燃烧室内燃烧特性和NOx生成特性的影响。模拟结果表明，随着压强的增加，NOx排放逐渐增加，随着燃料入口湍流度的增加，NOx排放将减少，而随着旋流数的增加，NOx排放先是增加而后减小，同时，NOx随压强变化呈指数规律变化，但不同的燃烧组织形式对指数值有较大的影响。     

浮力对湍流旋流火焰影响的数值模拟

采用浮力修正的k-ε湍流模型和涡团耗散（EDC）湍流燃烧模型,对旋流燃烧室内具有不同初始切向动量或旋流数的受浮力作用的甲烷湍流火焰进行了数值模拟,得到三组工况下的气体温度场、组分体积分数场、速度场和湍流脉动特性的分布,并与试验测量数据进行了比较.结果表明：浮力对初始切向动量或旋流数较高的湍流火焰有更强的影响.     

入流条件对同轴射流旋流燃烧室内湍流流动模拟的影响

应用一种新的代数Reynolds应力模型对同轴射流旋流燃烧室内两股射流为同向旋转和反向旋转条件下的湍流旋流流动进行了数值模拟。为得到合理的流场分布结果，研究了入流条件对同轴射流旋流燃烧室内湍流流动模拟结果的影响。计算中对旋流燃烧室进口处两股旋转射流的轴向与切向速度采用了均匀分布和实验测量分布两种方式来给定。将两种进口速度分布条件下得到的燃烧室内气体轴向与切向速度分布计算结果与实验数据进行了比较。     

甲烷/空气典型混合模式在约束空间内的燃烧特性研究

燃料质量浓度分布在一定程度上影响混合气体的燃烧效率,能使燃气充分混合的同轴射流、旋片同轴、轴切结合、切向旋流等典型混合模式在航空发动机、燃气轮机及火箭发动机等先进燃烧技术应用中较为常见。因此,设计了甲烷/空气部分预混的燃烧实验装置,较为系统地实验研究了旋流数和轴向流速对混合气体在约束空间燃烧室内燃烧特性的影响。结果表明：对于有中心射流的混合结构,燃气轴向流速较低时产生黄色火焰,增大轴向流速,黄色火焰转为蓝色湍流火焰,且温度分布趋于均匀;纯切向旋流燃烧器的掺混效果较好,受燃气轴向流速的影响小,火焰结构稳定,均为蓝色火焰,温度轴/径向分布均匀且趋势一致,同当量比下燃烧产物中的污染物体积分数最小。     

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。     

径向外浓内淡旋流燃烧器NO_x排放和燃尽率的试验研究

在一台1 MW的热态煤粉燃烧试验炉上进行热态模拟试验,用两台双调风旋流燃烧器对冲燃烧,并且在主燃烧器上方的不同位置还布置了燃尽风装置(OFA)。主燃烧器使用的是变截面的一次风管和碰撞环相结合,在一次风管内,风粉气流在惯性的作用下分离为外浓内淡的环状气流,从而实现了燃烧器喷口处沿直径方向的浓淡分布。通过对陕北神华优质烟煤、山西河津劣质烟煤和山西长治贫煤这三种特性相差较大的煤的燃烧对比实验,得到了燃尽风布置的相对位置变化,一次风率、内二次风率、外二次风率的变化,内二次风、外二次风旋流强度等因素的变化,对NOx的生成和对飞灰含碳量的影响作用,同时也得到了NOx的生成和燃尽率之间的相互关系,以及对燃烧的稳定性、经济性的影响因素,其结果对工程设计和实际应用有着重要的指导意义。     

环形进出口旋流燃烧室内有回流的湍流旋流流动的数值模拟

对环形进出口旋流燃烧室内有较强回流的湍流旋流流动进行了数值模拟。计算中分别采用了完整形式与简化形式的新的代数Reynolds应力模型及κ－ε模型。模拟结果与实验测量数据在气体轴向与切向时均速度和轴向、切向与径向湍流脉动速度均方根值分布上的对比表明，新的代数应力模型可预报出旋流燃烧室内范围较大的中心回流区，气体切向速度分布的Rankine涡结构，以及湍流脉动的各向异性。     

径向浓淡旋流燃烧器NOx排放和燃尽率的试验研究

在设计热功率为1 MW的热态模化实验台上,研究了带有燃尽风的径向浓淡双调风旋流燃烧器的运行特点,得到燃尽风布置的相对位置、一次风率、内二次风率、外二次风率以及二次风旋流强度对NOx生成和飞灰含碳量的影响.结果表明:旋流对冲的煤粉浓淡燃烧配合采用燃尽风(OFA)空气分级燃烧技术,对降低NOx的生成和减少飞灰含碳量非常有益;只有合理地设计和布置OFA燃烧器,才能在降低NOx生成量的同时,尽量减少飞灰含碳量;增大一次风率时,NOx的生成量先增加后减少,而飞灰含碳量先减少后增加;增加内、外二次风的旋流强度,NOx的生成量不断提高,而飞灰含碳量则呈现降低趋势.     

入口旋流数对煤粉低尘燃烧器流场的影响

以液排渣旋风燃烧过程为基础的煤粉低尘燃烧器可在燃烧过程实现捕渣,为工业加热提供低含尘浓度的高温火焰,是工业加热过程实现以煤代油的先进燃烧技术。根据旋流燃烧流动特点,采用能考虑非均向湍流应力的雷诺应力模型,对旋流煤粉低尘燃烧器内气流流动过程场进行数值模拟计算,计算结果与流场实验测试相吻合。研究表明,气流进入燃烧器时的旋转强度（旋流数）对燃烧器内的流动特性有很大影响,在冷态模型条件下,当旋流数在7以上时,环室回流在轴向贯穿燃烧器整个流场,有利于增加煤粉颗粒在燃烧室内的循环次数,提高灰渣捕获率;低于7时,环室回流出现阻断,不再连续,易造成煤粉颗粒直接逸出,对燃烧及灰渣捕获不利。随旋流数增加,燃烧器出口处中心回流率增大,对炉膛高温烟气的抽吸作用增强。     

二次风旋流强度可调范围的数值模拟研究

利用Ansys12．0软件对实际电站锅炉的炉内流场进行了数值模拟,分别研究了内、外二次风旋流强度对炉内流场的影响．结果表明：随着旋流强度的增加,中心回流区开始远离燃烧器出口轴线位置,回流区长度增加,回流区面积增大,当旋流强度大于某一数值时,将不能形成较好的中心回流区,易发生飞边现象;外二次风旋流强度对回流区的影响较大,但调节范围却较小,而内二次风旋流强度的可调范围较大;内二次风和外二次风旋流强度的可调范围分别为0．58～2．74和0．58～1．00．     

中心射流对旋流燃烧器热声振动的影响

在CH4与空气的化学当量比为0.7、空气量为25 m/s时进行了旋流燃烧器热声振动试验.分析了不同中心风量下旋流燃烧的热声不稳定特性.结果表明:在中心风量为10%时,旋流核心区明显受到中心射流的影响,热声振动振幅明显下降,最大峰值脉动压力下降216 Pa;中心射流对热声振动的影响存在一个阈值,提高射流速度可使中心射流作用于旋流核心区,从而影响燃烧与声波的耦合,以实现对热声振动的被动控制.     

旋流煤粉多相流动与燃烧一维数学模型及应用

为了发展和有效地进行旋流煤粉多相流动与燃烧数值模拟,作者在多连续介质模型的框架中建立了综合考虑气-固两相旋流流动,燃烧与传热的旋流煤粉燃烧一维数学模型。应用这一模型对涡旋燃烧炉环形通道内煤粉燃烧和气体燃烧的数值计算表明,该模型可快速有效地用于模拟旋流煤粉多相流动与燃烧过程,给出炉内温度、速度与浓度分布以及燃烧效率等主要参数。     

旋流对驻涡燃烧室湍流流动的影响

为分析旋流对湍流流动的影响,对并排双旋流模式以及无旋流模式下的流场进行了数值模拟。在冷态下,旋流间的相互作用主要影响回流区形态,旋流极大拓展了湍流大脉动区域,适中的旋流更利于维持双涡结构。在热态下,旋流对回流区总体强度的影响比冷态更强烈,双旋流使凹腔湍流脉动受到抑制。燃烧能显著改变凹腔回流区和旋流回流区形态,增强旋流回流区强度,缩小其尺度,但使凹腔回流区尺度和强度均明显减小。燃烧可改善双涡结构,使气流旋动比湍流脉动具有更强的轴向衰减特性。     

Distributed swirl combustion for gas turbine application

Colorless distributed combustion (CDC) has been shown to provide significant improvement in gas turbine combustor performance. Colorless distributed combustion with swirl is investigated here to develop ultra-low emissions of NO and CO, and significantly improved pattern factor. Experimental investigations have been performed using a cylindrical geometry combustor with swirling air injection and axial hot gas exit stream from the combustor. Air was injected tangentially to impart swirl to the flow inside the combustor. The results obtained from the combustor have demonstrated very low levels of NO (∼3 PPM) and CO (∼70 PPM) emissions at an equivalence ratio of 0.7 and a high heat release intensity of 36 MW/m³-atm under non-premixed combustion. To further simulate gas turbine operating conditions, inlet air to the combustor was preheated to 600 K temperature and the combustor operated at 2 atm pressure. Results showed very low levels of CO (∼10 PPM) but the NO increased somewhat to ∼10 PPM at an equivalence ratio of 0.5 and heat release intensity of 22.5 MW/m³-atm under non-premixed combustion conditions. For premixed combustion, the combustor demonstrated low levels of both NO (5 PPM) and CO (8 PPM) at an equivalence ratio of 0.6 and a heat release intensity of 27 MW/m³-atm. Results are reported at different equivalence ratios on the emission of NO and CO, lean stability limit and OH^* chemiluminescence. These results suggest that further performance improvement can be achieved with improved fuel mixture preparation prior to the ignition of fuel at higher operational pressures using swirling combustor design for our quest to develop ultra low emission high intensity combustor for gas turbine application.     

Influence of inlet flow conditions on the performance of a swirl‐stabilized combustor burning liquid fuel spray

A numerical model of liquid fuel spray combustion is developed to study the effects of inlet flow conditions of primary and dilution air on the performance of a swirl‐stabilized axi‐symmetric combustor. The model is based on two‐phase stochastic separated flow approach. A standard k–ϵ model with logarithmic law of the wall for the near‐wall region is adopted for the solution of the gas phase turbulence. The chemical reaction is taken as a single step, irreversible, global one with the rate determined by the kinetically and diffusionally controlled rates. The liquid spray is divided into a finite number of droplet classes with the size distribution following a probability function. It has been observed that an improved pattern factor and better combustion efficiency can be obtained when both the primary and the dilution air streams enter the combustor with swirl, but in the counter‐rotating directions. However, the combustor pressure loss factor increases for the counter‐rotating flow entries of the primary and the dilution air compared to the co‐rotating air entries or to the swirled primary and non‐swirled dilution air entries. Copyright © 2000 John Wiley & Sons, Ltd.     

旋流燃烧室内煤粉多相湍流流动与燃烧的数值模拟

提出了考虑湍流-颗粒反应相互作用的颗粒随机轨道模型,以此为基础建立煤粉燃烧综合理论模型并应用于旋流燃烧室内煤粉多相湍流流动与燃烧的数值模拟.模拟结果给出了气相温度场、速度场与温度脉动均方根值分布、颗粒相温度场、速度场与表观密度场以及颗粒瞬时温度与质量随时间的变化.研究表明,考虑湍流-颗粒反应相互作用对气相与颗粒相温度场的模拟结果有一定的影响,使气相温度分布与实验数据更为接近.