应用计算机模拟技术分析预测炉内煤粉燃烧过程

本文把湍流理论、辐射理论以及煤粉燃烧理论应用于锅炉燃烧室三维流动、气固两相、带化学反应的燃烧过程的数值计算，给出了数学模型、解法和边界条件的处理方法。运用所编制的计算软件对４２０ｔ／ｈ锅炉进行了燃烧过程的数值模拟，其结果能反应该类锅炉的燃烧过程。     

燃烧室三维流场数值模拟中伪扩散问题的研究

从理论分析、数值试验和实例模拟三个方面分别研究了锅炉燃烧室三维流场数值模拟中出现的伪扩散问题,探讨了伪扩散产生的机理、不同差分格式对伪扩散的影响、以及伪扩散对四角切圆燃烧锅炉燃烧室流动模拟精度的影响。模拟过程中运用了k-ε双方程湍流模型和SIMPLER算法。最后对HG-2008／18.2-HM3型锅炉的冷态试验台进行了实例模拟。模拟结果表明模拟数据与实验数据符合较好,采用适当的高阶差分格式可以减小伪扩散在三维流场数值模拟中的影响,提高模拟结果的精度。     

合成气燃气轮机燃烧室CFD模拟的模型选择及优化

采用雷诺平均的计算流体力学方法,通过模拟与燃烧室模态相似的标准旋流扩散燃烧实验以及合成气模型旋流燃烧室实验,分析了4种湍流模型对旋流燃烧及合成气燃烧室的数值模拟结果的影响。对比标准实验的速度、温度以及混合分数等实验数据,讨论不同模型以及参数取值的模拟效果,选取最合适燃烧室内复杂流型预测的realizableκ-ε湍流模型,并对位于湍流动能耗散率(ε)方程源项中的模型常数C2做出修正。耦合相应较为准确的燃烧模型以及反应机理,形成针对合成气燃烧室性能预测的较为理想的模拟方法。开展合成气模型旋流燃烧室燃烧实验,利用形成的数值模拟方法,对燃烧室壁温及NOx排放进行了预测,结果与实验较吻合,验证模拟方法可靠。     

微尺度燃烧中数值模拟模型选择研究

该文对微尺度燃烧数值模拟所选用的模型进行了研究.通过理论上对流动和燃烧的分析,认为用传统上的临界雷诺数来区分层流燃烧和紊流燃烧在微尺度燃烧中可能不能反应实际情况,小雷诺数下也存在紊流的可能;在所研究的微尺度管道中,实验表明具有紊流特征,数值模拟和实验的对比表明,三维紊流燃烧模型比层流模型的温度分布更接近实际温度分布,能够相对较好地反应实际情况.同时在目前的数值模拟模型中,由于没有考虑熄火距离的影响,导致在微尺度燃烧模拟中会出现温度偏高的现象.     

耦合分级燃烧的大容积焦化过程仿真

基于焦炉大容积焦化、分级燃烧加热的过程特点和燃烧室炭化室耦合的结构特点,建立描述其内部流动、燃烧、传热、传质的三维非稳态数理模型,开展数值仿真,并将模拟结果与实际数据进行对比验证。通过计算,获得到了相应的结焦时间、焦化过程中焦炭床层的温度变化以及废气出口NO含量的变化规律;考察了焦炭床层加热的均匀性,并与传统的下喷式单点燃烧加热焦炉进行对比;最后还分析了装炉煤水分含量、初始温度以及堆密度等操作参数的影响。研究结果表明,对于大容积焦炉,在提高焦炭产量的同时,采用分级燃烧加热方式,可以有效提高焦炭床层的加热均匀性,保证最终产品的质量,并有效减少NO的生成;而且,煤预热、煤调湿和煤料密实技术的应用有利于提高生产效率。该文工作可为焦炉大型化生产实际及设计提供基础理论和参考数据。     

三菱M701F燃气轮机单筒燃烧室内三维燃烧特性研究

针对三菱M701F天然气燃气轮机燃烧室建立全尺寸三维单筒燃烧室物理模型,兼顾主燃烧区贫预混燃烧模式和值班火焰扩散燃烧模式的组合特性,采用部分预混燃烧模型,对该单筒燃烧室内的燃烧特性进行了数值模拟研究,获得了满载荷运行工况下全尺寸燃烧室的流场、温度场和污染物分布情况;同时计算分析了不同空气过量系数下过渡段出口面最高温度、平均温度、温度分布系数OTDF以及NO_x含量的变化情况。结果表明,随着空气过量系数的增大,最高温度、平均温度及NO_x含量均逐渐下降,温度分布系数OTDF则呈逐渐上升趋势。     

大型电站锅炉炉内流场数值计算技术的研究

采用kε双方程湍流模型、QUICK格式、CIMPLE算法和非均匀交错网格系统,对W型火焰锅炉燃烧室三维冷态流场进行了数值模拟,绘出了典型截面的流场图和速度分布图,揭示了W型火焰锅炉燃烧室内流动的主要特性。计算实例表明,将QUICK格式和CIMPLE算法同时应用于湍流回流的数值模拟,可以在保证较高数值模拟精度的情况下兼顾数值模拟速度。     

大型电站锅炉内流场数值计算技术的研究

采用k—ε双方程湍流模型、QUICK格式、CIMPLE算法和非均匀交错网格系统，对W型火焰锅炉燃烧室三维冷态流场进行了数值模拟，绘出了典型截面的流场图和速度分布图，揭示了W型火焰锅炉燃烧室内流动的主要特性。计算实例表明，将QUICK格式和CIMPLE算法同时应用于湍流回流的数值模拟，可以在保证较高数值模拟精度的情况下兼顾数值模拟速度。     

数值模拟在合成气燃气轮机燃烧室设计中的应用

采用数值模拟方法对设计燃料为天然气和柴油的某型号燃气轮机燃烧室进行了改造,使其能够高效洁净地燃烧中热值的合成气。数值计算采用了涡团耗散湍流燃烧模型、可实现k-ε湍流模型和离散坐标系辐射模型,SIMPLE压力速度耦合算法以及二阶精度迎风插值格式。对原型燃烧室进行了数值模拟研究,分析了合成气燃料的性质,对比了燃烧天然气和合成气2种燃料时燃烧室入口参数,由此确定了燃烧室改造原则。依照改造原则对原型燃烧室进行了改造,并根据数值模拟的结果对改造方案进行了多次改进,最终得到了合适的改造方案。改造过程说明:对原先燃烧天然气的燃烧室改烧中热值合成气,基本可以不改变火焰筒的结构;燃料喷射孔的面积可以按照与原型喷嘴的燃料喷射速度相同的原则确定,但需要增加旋流器的旋流数。     

W型火焰锅炉燃烧室三维冷态流场的数值计算

采用k-ε双方程湍流模型、幂函数差分格式、非均匀交错网格系统和SIMPLER算法,对W型火焰锅炉燃烧室三维冷态流场进行了数值计算,给出了典型截面的流场图和速度分布图,揭示了W型火焰锅炉燃烧室内流动的主要物理特性,探讨了W型火焰锅炉燃烧室在燃烧低挥发分无烟煤时,在煤粉燃尽、煤粉点燃和低负荷稳燃等方面的机理,计算结果能反映炉内流动的基本特征,在工程上具有一定的参考价值。     

MHD燃烧室中种子蒸发电离数学模型

建立关于种子蒸发电离良好的数学模型是实现ＭＨＤ燃烧室燃烧电离过程数值模拟的关键之一。本文将针对电工所２５ＭＷＭＨＤ发电机燃煤燃烧室燃烧电离过程的数值模拟,探讨了一种工程实用的蒸发电离模型。     

重型燃气轮机燃烧室压力变化对NO_x排放的影响

为了研究重型燃气轮机燃烧室压力变化对NO_x排放的影响规律,基于某重型燃气轮机单管燃烧室,建立了预混燃烧模式下燃烧室三维数值仿真模型。模型采用可实现k-ε湍流模型和有限速率-涡耗散湍流燃烧模型对燃烧室预混燃烧流场特性进行求解,通过热力型和快速型NO_x生成模型对燃烧室NO_x排放进行计算。结果表明:从燃烧室头部至燃烧室尾部,NO_x生成平均质量分数逐步增加;在燃气轮机燃烧室工作压力范围内,随着燃烧室压力的增加,燃烧室出口NO_x生成平均质量分数以及燃烧室内NO_x生成质量分数峰值均逐渐增加。研究结果可为燃气轮机燃烧调整及低NO_x排放提供依据。     

进口堵塞对旋流煤粉燃烧器NO生成影响的数值模拟

针对研制低污染旋流煤粉燃烧器，探讨进口堵塞对NO生成的影响。用NO生成的统一二阶矩代数模型，HCN释放的简化Solomon模型和煤粉燃烧的全双流体模型，对进口堵塞对锅炉旋流煤粉燃烧器NO生成的影响进行了数值模拟，给出了温度、湍流动能、煤粉浓度和NO浓度分布。典型进口的模拟结果和文献中给出的实验结果符合较好。数值模拟探讨了进口堵塞位置和尺寸对NO生成的影响。模拟结果指出，在一次风和二次风进口之间加堵塞可以显著降低煤粉燃烧的氮氧化物排放。     

煤层气燃烧NOx生成特性及影响因素数值模拟

采用非预混燃烧模型对煤层气燃烧及NOx生成进行了数值模拟,研究了煤层气中甲烷浓度、过量空气系数及射流角度等因素对NO生成的影响.结果表明:随着甲烷浓度的增大,NOx生成量增大,CH4浓度从25％增大到45％时,燃烧室出口面上NO质量分数提高8倍左右;过量空气系数为1.00时,出口面上平均NO质量分数最大,过量空气系数在1.00以上增大时,生成NOx量降低;射流角度变化对燃烧温度及NOx生成的影响较小.     

三菱重工F型燃气轮机燃烧振荡控制

重型燃气轮机高温部件的设计、制造、控制和维护是其核心技术,其关键技术原理对于电站机组的安全高效运行有重要意义。通过分析三菱F型燃气轮机的燃烧室结构特点,对多旋流燃烧室的流场特性进行了模拟研究,数值结果表明中心回流区是多旋流结构稳定燃烧的主要机制。在此基础上,介绍三菱F型燃气轮机燃烧室改进气动和声学设计技术特点。针对燃烧振荡问题,分析了振荡机理、燃烧调整及振荡控制的原理、思路和方法,为重型燃气轮机燃烧室的设计和燃烧调整提供借鉴。     

贫油直喷燃烧室燃烧稳定性的数值研究

贫油燃烧过程中很容易产生振荡燃烧现象,而振荡燃烧则会进一步影响燃烧室中氮氧化物(nitrogen oxides,NOx)的生成与排放。为了研究振荡燃烧的触发机制及其对NOx生成与排放的影响,利用FLUENT中的离散相模型、非预混燃烧模型和混合分数/PDF平衡化学反应模型,对贫油直喷燃烧室内的航空煤油/空气非预混燃烧进行了大涡数值模拟,亚网格模型采用WALE模型。将计算与实验值进行比较发现:在喷嘴附近区域,数值结果与预测结果略有差异,在其他区域,数值计算的各个物理参量值都与实验值非常吻合。通过改变入口空气流速,触发了振荡燃烧,其主频为560和1200Hz。对燃烧稳定性的模拟表明,可以通过调整燃烧室的入口条件来激励或者抑制振荡燃烧现象的出现。在此基础上分别计算了稳定燃烧和不稳定燃烧时的NOx排放,结果表明振荡燃烧现象的出现明显改变了NOx的生成与排放。     

起动机驱动过程中微型燃气轮机燃烧室变工况燃烧特性

针对起动机驱动过程,基于由单级离心压气机、贫预混旋流燃烧室、单级向心涡轮和空冷变频起动机/发电机组成的单轴微型燃气轮机样机,进行了整机实验研究,以获得燃烧室在该运行过程中的变工况燃烧特性变化趋势。研究表明:由于燃烧室内燃气温度较低,NO生成量近似为零,CO2排放浓度与燃烧效率随转速增加的变化趋势基本一致,而与CO排放浓度变化趋势正好相反。由于燃烧室出口平均温度主要受燃烧室进口空气温度、燃烧效率和当量比的影响,因此在起动机驱动过程中,燃烧室出口平均温度呈现与三者波动不一致的趋势。随着起动机转速增加,燃烧室总压恢复系数由于热阻损失和流动损失增加而减小。燃料化学反应过程不仅会影响压气机背压,并导致燃烧室进口空气温度和总压增大,而且会促使燃烧室进出口总压波动变大。燃烧室设计流阻系数在文中所涉及的运行参数和燃烧室无量纲结构参数条件下取值为35,可以满足燃烧室设计要求。     

交叉射流分级燃烧器中CH4柔和燃烧特性分析

柔和燃烧具备燃烧稳定、烟气出口温度均匀、NO和CO排放低的特点,有望成为新一代燃气轮机燃烧技术.因此,开展柔和燃烧技术应用于燃气轮机燃烧室的探索研究非常必要.烟气温度、氧浓度及其与新鲜空气的掺混对柔和燃烧的发生及燃烧性能有重要影响.为此,基于轴向分级概念建立燃烧器,通过精确控制烟气回流比例和当量比使得烟气的流量、温度、氧浓度连续可调,设计合适的燃烧器结构型式使得烟气在掺混区和燃料、空气以交叉射流方式掺混.通过数值模拟结合实验的方法,从流动、热力学角度研究分析了回流比例、当量比对OH’分布、火焰稳定性、NO/CO排放等燃烧性能的影响规律和机制.实验以甲烷为燃料,在回流比例r=0.5、当量比(面)=0.6工况下获得最佳的污染物排放性能:NO为6mg/m3,CO为5mg/m3.研究结果将为柔和燃烧在燃气轮机燃烧室上的应用提供理论依据和基础数据.     

W型火焰锅炉燃烧室三维冷态流场的数值计算

采用κ－ε双方程湍流模型,幂函数差分格式,非均匀交错网格系统和ＳＩＭＰ;ＬＥＲ算法,对Ｗ型火焰锅炉燃烧室三维冷态流场进行了数值计算,给出了典型截面的流场图和速度分布图,揭示了Ｗ型火焰锅炉燃烧室内流动的主要物理特性,探讨了Ｗ型火焰锅炉燃烧室在燃烧低挥发分无烟煤时,在煤粉燃尽,煤粉点燃和低负荷稳燃等方面的机理,计算结果能反映炉内流动的基本特征,在工程上具有一定的参考价值。     

旋流燃烧室内煤粉燃烧的数值模拟

为合理描述煤粉颗粒在有湍流脉动的气相流场与温度场中的燃烧反应行为，文中提出并建立了考虑湍流-颗粒反应相互作用的颗粒随机轨道模型。该模型考虑到了气相温度的湍流脉动对颗粒瞬时温度、瞬时热解速率和瞬时多相反应速率的影响。应用此模型对有直流一次风和旋流二次风的旋流燃烧室内的煤粉燃烧进行了数值模拟。计算结果表明，在燃烧室前部区域，该模型与未考虑湍流?颗粒反应相互作用的颗粒随机轨道模型给出的气相温度场与组分浓度场结果有一定的差异，前者得到的气相温度分布与实验更接近。