油雾旋流燃烧的实验和计算分析

为提高油雾旋流燃烧时燃烧效率,结合搭建实验台进行实验测量和建立数学模型模拟计算,研究了油雾旋流燃烧时旋流体对流场结构液滴蒸发和燃烧特性的影响。结果表明:旋流流场的结构主要可以分为中心回流区和两层螺旋涡结构,随着旋流数的增加,内层涡旋的强度增加,外层涡旋的强度降低。旋流数的增加还能促进液滴的扩散、蒸发以及液滴和空气掺混,使得燃烧室上游燃料浓度增加,燃烧效率提高。随着雷诺数的增加,中心回流区增加,火焰长度变短。     

旋流数对燃烧不稳定性及NO_x生成的影响

采用大涡模拟方法分析了旋流数对燃气轮机燃烧室内预混燃烧不稳定性以及NO_x生成特性的影响.结果表明:增大旋流数使得流场的扩张角增大,中心回流区范围扩大,对燃烧产物的卷吸能力增强,预混段内温度升高,高温区范围扩大,有利于燃料气流的着火与稳定燃烧,火焰长度也有所缩短;旋流数为0.7时,流场中仅存在一个进动涡核,旋流数较大时,则出现2个明显的进动涡核;增大旋流数使得涡旋周期性的脱落频率增加,破碎位置向上游移动,同时由于火焰长度缩短,热释放区域相对更为集中,从而导致燃烧室内压力脉动频率及其对应的压力峰值增大;增大旋流数也使得火焰宽度增大,峰值温度有所降低,有利于控制NO_x排放体积分数.     

空气旋流强度对气泡雾化喷雾流场及火焰的影响

对不同空气旋流强度下气泡雾化喷嘴出口下游喷雾流场特性及燃烧特行进行了诊断与分析.随着空气旋流强度的增加,喷雾锥角明显增大,颗粒的轴向平均速度有所降低,而速度分布趋势则由单峰分布逐渐转变为双峰分布.同时,径向和切向的平均速度都有所提高,速度脉动加强,气、液两相之间的混合趋于强烈.空气旋流强度对油雾的燃烧过程影响显著,随着旋流数S的增大,油雾火焰的湍乱程度加强,火焰长度缩短,火焰表面皱褶和旋涡的尺度有所减小.空气旋流强度过小或过大,都将导致燃烧状况恶化;在S=1.2时,燃烧产物中的cxHy、CO和NO 的体积含量均达到较低的水平.     

不同湍流强度下液雾燃烧的直接数值模拟

采用欧拉方法求解气相场,采用拉格朗日方法跟踪液滴颗粒,对液雾燃烧进行了直接数值模拟研究.分析了不同湍流强度下液雾燃烧的液滴蒸发特性和燃烧特性.发现在低混合分数区域,液滴蒸发速率约等于零.当混合分数大于夹层内平均混合分数的时候,液滴蒸发速率随混合分数线性增加.液雾燃烧的着火时间与相同条件下气体混合物的着火时间相比会更长.湍流在混合分数空间中抑制了液体燃料的蒸发,但是能够加强燃料和氧化剂的混合,从而进一步促进化学反应的进行.     

小流量气泡雾化喷嘴试验研究

设计了一个1.2 kg/h的小流量气泡雾化喷嘴,利用粒子动态分析仪(PDA),对喷嘴下游流场进行测量,分析了液雾粒径和速度的分布规律及其相关因子,考察了气液质量流量比、进气压力、混合室长度对雾化特性的影响。结果表明,液雾粒径沿径向呈非轴对称分布,轴线下方平均粒径大于上方平均粒径,液滴粒径随轴向距离增加呈先减小后增大的趋势;液雾轴向平均速度呈钟形分布,喷嘴出口区域液滴轴向平均速度和均方根速度都比较大,两者值均随轴向距离增加而逐渐减小。喷嘴出口区域,液滴粒径与速度间负相关性很强,随轴向距离的增加,其相关性可以忽略。气液比增大液雾粒径减小;在相同的气液质量流量比(ALR)下,进气压力增大,雾化效果变差;混合室长度为其直径的2.5倍时,雾化效果较好。     

壁面约束对旋流流场影响的实验研究

为深入认识旋涡流动的受限特征以及解决一些文献中出现的分歧,使用2D-3C粒子影像测速仪(PIV)研究了壁面约束对某典型非预混旋流杯的冷、热态流场的影响。实验结果表明:开放空间下流场存在中心回流区,旋流杯出口锥形渐扩段扩张角决定射流宽度,进而影响回流区宽度。流场受限时,回流区收缩变窄,轴向射流峰值速度增大且贴着壁面内侧运动;此外,脉动速度分布特征发生显著变化。入口雷诺数增大导致射流轴向速度、回流强度以及流动湍流度都变大,但回流区结构和脉动速度分布特征几乎没有改变。相对于冷态流场,燃烧工况的回流区明显变短,并且燃烧放热使射流速度和脉动速度都显著增大。较大的速度波动主要分布在旋流射流和回流区的边界附近,即速度剪切层中。     

进气参数对LPP燃烧室振荡燃烧特性和火焰结构的影响

为研究贫预混预蒸发(LPP)燃烧室振荡燃烧规律和LPP火焰结构,利用动态压力传感器测量了LPP燃烧室内不同进气参数下时域及频域上的压力脉动;利用激光诱导荧光(PLIF)测量系统研究了不同进气参数下的LPP火焰结构变化规律。结果表明:随着燃烧室入口流速的增加,激励出的振荡燃烧的当量比区域会减小;在一定的入口流速下,所激励的振荡燃烧主频会随着当量比的增加而增加;随着燃烧室入口空气温度的提高,激励出振荡燃烧的区域会减小,激励出的振荡燃烧的强度会下降,但振荡燃烧的主频均会增加;稳定燃烧时,LPP火焰为V型火焰;振荡燃烧则会将LPP火焰转化为平整型火焰。     

半封闭狭窄通道内甲烷/空气预混火焰传播不稳定性实验研究

针对贫油预混预蒸发燃烧室主燃级中横喷液雾现象进行研究,综合考虑RP-3航空煤油横喷液雾的雾化、蒸发和自燃过程构建自燃预测模型,基于CH基团随时间的变化规律对自燃延迟时间进行预测。结合试验测试结果对模型进行校验,并进一步分析温度、压力、流速、射流动量比等变量对自燃延迟时间的影响规律。结果表明：对于直射式喷嘴形成的横喷液雾,其下游的油气分布主要受射流动量比和流动速度的影响,射流动量比决定了液雾的总体油气比,流动速度则主要影响液滴的粒径及其蒸发时间;随着压力、射流动量比及气流速度的增加,自燃延迟时间均会缩短,相比于预混燃料液雾的自燃延迟时间受负温度效应的影响较弱。     

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。     

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。     

低流量煤粉稳燃燃烧器内回流特性研究

运用CFD技术和实验研究了一次风速度、内二次风速度、内二次风旋流强度和钝体阻塞率等参量变化对回流区大小和回流速度的影响。增加内二次风速,回流区长度和平均回流速度皆呈现缓慢增加趋势;增加内二次风旋流强度,回流区长度和平均回流速度能较快增加,能明显地提高回流区卷吸高温烟气热量;钝体阻塞率为1.070是比较合适的。     

旋流片开槽深度对低热值煤层气燃烧特性的影响

为提高低热值煤层气的燃烧效率,设计了3种由不同开槽深度的旋流片组合成的低热值煤层气燃烧器,并进行燃烧特性实验研究,分析了不同流量下,开槽深度对燃烧室内速度、温度及火焰结构特性的影响。研究表明,火焰温度在燃烧器轴线方向分布与流速分布相似,均存在一个温度和速度峰值。相同轴向距离处,甲烷流量减小,3种旋流片的火焰中心流速和温度峰值逐渐下降,且中心流速峰值、温度峰值位置逐渐前移,但温度峰值位置始终是大于速度峰值位置。开槽深度对燃烧特性的影响主要是由于燃气通流截面改变引起的入口流速和射流直径变化导致的。采用3 mm开槽深度的旋流片时,火焰长度和直径增加最快,燃烧室内轴向速度分布和温度场最为理想,射流刚性和火焰充满度最好。     

旋流式气液同轴式喷油器在加压空间中流量特性的试验研究

在增压条件下对一种旋流式气液同轴喷油器的流量特性进行试验研究.在不同的环境背压条件下,分别研究了气液比、环境背压对燃油流量系数、雾化空气流量系数的影响.结果表明:本喷油器的燃油流量系数稳定在0.2971,不受气液比、环境背压等因素的影响;雾化空气流量系数随环境背压与喷油器雾化空气通道进口压力的压力比的增大而减小,与气液比无关.根据试验数据整理出雾化空气流量系数拟合公式,能够对试验数据作出准确的预测.     

LPP燃烧室振荡燃烧机理及二次燃料对振荡的抑制

开展了贫预混合预蒸发燃烧室(LPP)振荡燃烧机理的实验研究,利用锁相的平面激光诱导荧光(PLIF)测量技术测量了一个振荡燃烧周期内不同相位上贫预混合预蒸发燃烧室火焰结构。研究表明:靠近燃烧室轴线处火焰会间歇性地局部熄灭、重新点燃、逐渐增强;远离燃烧室轴线处火焰会周期性地脱体和融合;计算了LPP燃烧室内瑞利指数分布,瑞利指数为正的两个区域与靠近燃烧室轴线处和远离燃烧室轴线处发生周期性波动的火焰区域重合;确定了LPP燃烧室中的振荡燃烧是由上述两个区域的火焰周期性波动共同作用所激励;通过二次燃料喷射,成功地抑制了LPP燃烧室内的振荡燃烧,实现了振荡燃烧的主动控制。     

Dispersion and vaporization of biofuels and conventional fuels in a crossflow pre-mixer

In lean premixed pre-vaporized (LPP) combustion, controlled atomization, dispersion and vaporization of different types of liquid fuel in the premixer are the key factors required to stabilize the combustion process and improve the efficiency. The dispersion and vaporization process for biofuels and conventional fuels sprayed into a crossflow pre-mixer have been simulated and analyzed with respect to vaporization rate, degree of mixedness and homogeneity. Two major biofuels under investigation are Ethanol and Rapeseed Methyl Esters (RME), while conventional fuels are gasoline and jet-A. First, the numerical code is validated by comparing with the experimental data of single n-heptane and decane droplet evaporating under both moderate and high temperature convective air flow. Next, the spray simulations were conducted with monodispersed droplets with an initial diameter of 80 μm injected into a turbulent crossflow of air with a typical velocity of 10 m/s and temperature of around 800 K. Vaporization time scales of different fuels are found to be very different. The droplet diameter reduction and surface temperature rise were found to be strongly dependent on the fuel properties. Gasoline droplet exhibited a much faster vaporization due a combination of higher vapor pressure and smaller latent heat of vaporization compared to other fuels. Mono-dispersed spray was adopted with the expectation of achieving more homogeneous fuel droplet size than poly-dispersed spray. However, the diameter histogram in the zone near the pre-mixer exit shows a large range of droplet diameter distributions for all the fuels. In order to improve the vaporization performance, fuels were pre-heated before injection. Results show that the Sauter mean diameter of ethanol improved from 52.8% of the initial injection size to 48.2%, while jet-A improved from 48.4% to 18.6% and RME improved from 63.5% to 31.3%. The diameter histogram showed improved vaporization performance of jet-A.     

燃烧室压力对燃油喷雾和燃烧的影响研究

采用CHAMKIN模拟分析燃烧过程,基于自行设计的可视化定压燃烧系统试验研究燃烧室压力对燃油喷雾和燃烧的影响。结果表明:随着压力的升高雾化效果逐渐变差;进气旋流可以改善雾化效果;如果进气旋流是高温气体,则改善情况更明显。压力的增加仅加快了反应速率,缩短了着火延迟时间,并没有引起着火过程中温度的很大变化。随着燃烧压力的增加,火焰逐步向燃油喷嘴处移动,可通过提高烟气卷吸率增强气旋效果,使火焰更长,燃烧更均匀,避免烧坏油头及燃烧室内部分温度过高等不良后果。     

Free radical imaging techniques applied to hydrocarbon flames diagnosis

introductionThe current industrial needs for hydIDcrton-fuelcombushon systems involve simul~s assessllled ofdecreasing pollutal emissions, increasing equipmentlifetime and reducing fuel consumphon. withoutcompromising final PIDduct quality and Promotingflexible and clean Operation modes. Ih thes context,exhaust endssions chendcal composition have been arelevant issue for researchers and engineers, namelyunbumed hydrocboons and nitric and carbon Oboes,Which can direCtly or indireCtly hann e…     

初始条件对燃气轮机DLE燃烧室性能影响研究

以单头部中心分级旋流干式低排放(Dry Low Emission, DLE)燃烧室为研究对象,以天然气为燃料,针对不同的全局当量比、进口温度、进口压力条件开展试验测试和数值模拟,研究燃烧室的燃烧性能以及污染物排放的变化规律。研究发现：随全局当量比增大,中心回流区长度略有增大、宽度变窄、回流速度增大,燃料量的增加使得高温区面积明显扩大,燃烧室出口温升明显增大,出口温度分布系数变化不大,燃烧室出口CO和NO_x排放摩尔分数明显增大;随进口温度的增大,中心回流区长度先明显增大再减小、宽度变窄、回流速度先增大再减小,进口空气温度的升高使得反应速率加快从而导致燃烧室出口温度升高,但温升、出口温度分布系数变化不大,CO和NO_x排放摩尔分数增大;随进口压力的增大,中心回流区长度、宽度略有增大,回流速度增大,燃烧室内部和燃烧室出口温度无明显变化,出口温度分布系数减小,CO和NO_x排放摩尔分数受影响较小。     

A DNS study of hydrogen/air swirling premixed flames with different equivalence ratios

Hydrogen/air swirling premixed flames with different equivalence ratios are studied using direct numerical simulation. A fourth-order explicit Runge–Kutta method for time integration and an eighth-order central differencing scheme for spatial discretization are used to solve the full Navier–Stokes (N–S) equation system. A 9 species 19-step reduced mechanism for hydrogen/air combustion is adopted. The flames are stabilized with the help of a recirculation zone characterizing a high swirling flow. The vortex structures of the swirling premixed flames are presented. The flame structures are investigated in terms of the flame front curvature and tangential strain rate probability density functions (pdfs). The local flamelet temperature profiles are also extracted randomly along the flame front and compared with the corresponding laminar flame temperature profile. In order to study preferential diffusion effects, direct numerical simulation of two additional freely propagating planar flames in isotropic turbulence is conducted. Preferential diffusion effects observed in the planar flames are suppressed in the swirling flames. Further analysis confirms that the coherent small-scale eddies play important roles in the interactions between turbulence and the flame front. They are able to change the dynamic properties of the flame font and lead to enhanced burning intensity in the flame front with negative curvature for both stoichiometric and fuel-lean flames.