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。     

湍流模型对水轮机压力脉动数值预测的比较

分别采用大涡模拟模型、标准k-ε模型和Realizablek-ε模型,对模型水轮机全流道内的三维非定常湍流进行了数值模拟,对导水机构及尾水管内的湍流压力脉动进行分析,并与试验结果比较。分析结果表明:大涡模拟方法对湍流脉动的大尺度分量进行直接模拟,对强旋流有很好的适应性,能够较准确预测水轮机的压力脉动;Realizablek-ε模型考虑了流体微团转动的影响,可定性分析水轮机全流道的压力脉动特征;标准k-ε模型忽略了流体微团转动的影响,对水轮机压力脉动的模拟结果误差较大。     

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。     

基于CFX的燃气轮机燃烧室的涡团耗散燃烧模型数值模拟

本文针对某型号燃气轮机的燃烧室三维物理模型进行了数值模拟,采用k-ε双方程湍流模型、涡团耗散燃烧模型描述其燃烧流动,应用甲烷空气WD1 NO PDF反应模型规定燃料在一步反应中完全燃烧,模拟NO的形成并发现其在一个附加的反应步骤中出现。通过对燃烧室三维流场分布情况的分析研究,特别是针对主要区域关键截面的流动分析,从而判断燃烧室的设计是否合理,为研制高燃烧效率、燃烧稳定性以及低NOx排放特性的燃烧室奠定了基础。     

环缝燃料进口的丙烷-空气旋流扩散燃烧的数值模拟

旋流扩散燃烧广泛存在于各种燃烧装置中,低污染燃烧器研制中数值模拟已经成为一种有效的手段。发展一种合理而又经济的适用于工程实际的湍流燃烧模型是数值模拟的关键。该文用作者提出的统一二阶矩(USM)湍流燃烧模型对旋流数为0.78,环缝燃料进口的丙烷-空气旋流扩散燃烧进行了数值模拟。模拟所得到的有燃烧时的3个方向的时平均速度和脉动速度、温度以及燃料、氧和二氧化碳浓度分布,都和文献中的实验结果符合很好,从而再一次说明了统一二阶矩模型的合理性。模拟和实验结果都表明,环缝燃料进口使湍流趋于均匀和各向同性,并且强化了燃烧。     

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。     

用重振化群湍流模型模拟圆环管煤粉浓淡分离器内的分离湍流流动

用重振化群湍流模型（ＲＮＧｋ－ε模型）模拟计算旋流燃烧器一次风管中浓淡分离器内的湍流流场。在柱坐标系中采用人工压缩法和时间相关法配合使用的方法求解控制方程,将计算结果与实验结果和标准ｋ－ε模型进行比较,表明ＲＮＧｋ－ε比标准ｋ－ε能更有效模拟分离流动。     

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。     

用重振化群湍流模型模拟圆环管煤粉浓淡分离器内的分 …

用重振化群湍流模型模拟计算旋流燃料器一次风管中浓淡分离器内的湍流流场。在柱坐标系中采用人工压缩法和时间相关法配合使用的方法求解控制方程,将计算结果与实验结果和标准κ－ε模型进行比较,表明ＲＮＧκ－ε比标准κ－ε能更有效模拟分离流动。     

合成气微型燃气轮机旋流燃烧特性数值模拟

以某合成气微型燃气轮机为例,通过改变其燃烧室旋流喷嘴的角度增加旋流强度,并采用数值模拟的方法从主燃区旋流强度及值班区旋流强度两方面对比分析了微型燃气轮机的旋流燃烧特性,结果表明:随着主燃区旋流强度的增加,回流区面积明显增大,燃料、空气均匀混合并迅速燃烧;但并非旋流强度越大越好,当主燃区旋流强度增大到一定程度时,回流区已经影响到了燃烧室出口处的气流流动,不利于流场的稳定,因此存在最佳的旋流角度使燃烧达到最佳的效果;值班区旋流强度的改变对燃烧流场影响不大。     

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。     

合成气微型燃气轮机燃烧室优化设计及数值模拟

初步设计了一种以富氢合成气为燃料的微型燃气轮机燃烧室。根据相关标准及热力计算结果依次确定了燃烧室的基本几何尺寸。二次风、掺混冷却孔的位置及开孔面积和旋流燃烧器的结构等,并利用计算流体动力学软件对所设计的燃烧室的冷、热态流场,燃烧稳定性,燃烧效率和压力损失等性能进行了数值研究。计算结果表明：设计的燃烧室流场合理,燃烧稳定,燃烧效率高,压力损失小,基本上达到了设计要求。     

旋流竖井段水力特性数值模拟

采用标准κ-ε模型和VOF方法相结合，实现了水平旋流竖井段的水力特性的数值模拟.并计算了不同收缩比起旋器出口情况下竖井段的水力特性。模拟计算结果与试验结果对比表明，旋流竖井段的水力特性采用这种标准κ-ε模型的模拟效果较好。     

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。     

贫燃预混旋流燃烧器回熄火边界数值模拟

为了预测回熄火边界，采用部分预混燃烧模型对天然气旋流预混燃烧器开展计算流体力学模拟。燃烧室直径60 mm、长160 mm，模拟工况包括空气和体积分数为25%的O2+体积分数为75%的N2 2种氧化剂，旋流器出口轴向速度为0.6~1.5 m/s范围的回火边界，以及1.5~4.5 m/s范围内的吹熄边界。通过回火和吹熄实验数据对模型进行验证，并分析结构参数对回熄火边界的影响。对比了Realizable k-ε模型和雷诺应力湍流模型，结果表明雷诺应力模型对回熄火边界的模拟结果更好。分析了回火和吹熄前后旋流器出口截面Da的变化情况，结果表明不同气流速度条件下回火临界点的1/Da以及吹熄临界点的Da和混合分数具有一定的关系。保持几何旋流数不变，对比分析了3种旋流器进口结构回熄火发生前后的流场变化及回熄火边界的变化，结果表明结构参数对回火和吹熄区间的影响作用相反，存在最优的进口长度和宽度组合使得由回火到吹熄的稳定燃烧区间最大。     

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。     

PAX型双调风旋流燃烧器一次风煤粉气流的数值模拟

为了揭示煤粉气流在带有乏气管道的一次风管内的运动轨迹及一次风进口段弯头的分离机理,采用标准k-ε双方程模型描述了旋流式燃烧器一次风气相场湍流流动,用随机轨道模型描述了其颗粒相运动,通过颗粒与流体相互耦合PISC算法,对管内气固两相流进行了数值模拟,为确定燃烧器出口一次风气流的着火和燃烧工况及弯管煤粉浓淡分离技术的应用提供了理论依据.     

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。     

6种低雷诺数k-ε模型在三维附壁剪切流中的数值模拟与对比分析

采用Fluent14.0中的标准k-ε湍流模型及其包含的6种低雷诺数k-ε湍流模型,对三维附壁剪切流进行数值模拟,并依据湍流流动的壁面限定条件及其流动特性,对计算模型及其计算结果进行分析。结果表明,大部分低雷诺数模型相对于标准k-ε模型,其计算准确性都有所改进。但其中LB、LS模型不符合壁面限定条件,而AB与CHC模型的计算结果与湍流壁面的流动特性不符。在对流动速度场的模拟中,LB、YS及AKN模型准确度相对较高。并对采用不同常数的AKN模型进行了数值测试,结果表明采用标准k-ε模型所用常数的AKN模型的计算结果最为准确,且模型相对较为合理。在对三维附壁剪切流的低雷诺数流动的模拟过程中,建议采用AKN模型。     

合成气燃气轮机燃烧室的试验研究

对某分管型燃气轮机燃烧室及其两个用于燃烧中热值合成气的改造方案在中压全尺寸试验台上进行了考核和实验研究。试验采用的等容积流率模化准则,即采用与真实燃烧室相同的尺寸、燃料、过量空气系数以及燃料和空气进口温度,而空气的总压和流量以及燃料的流量取为真实参数的1/6。试验结果表明2个改造方案的性能参数,包括燃烧效率、总压损失、出口温度分布、火焰筒壁面温度分布和火焰的稳定性(贫燃料熄火极限)都能够满足设计要求。此外,与原型燃烧室燃烧轻柴油的工况相比,2个改造方案在燃烧合成气时燃烧室主燃区的火焰筒壁面温度升高,而燃烧室的NOx排放大大降低,火焰的稳定性得到明显改善。因此保持火焰筒开孔规律不变,增大气体燃料喷射孔面积并增强旋流对燃烧室进行改造,使其能够高效洁净地燃烧中热值合成气,该方法是可行的。