甲烷预混多喷嘴阵列燃烧器热声振荡模态实验研究

为研究燃气轮机模型燃烧室的非预混燃烧流场,采用大涡模拟方法分别结合火焰面生成流形模型（FGM）和部分预混稳态火焰面模型（PSFM）对甲烷/空气同轴射流非预混燃烧室开展了数值模拟研究,并与试验结果进行对比。结果表明：FGM所预测的速度分布、混合分数分布、燃烧产物及CO分布与试验结果更符合;两种模型均能捕捉到燃烧室中的火焰抬举现象;燃烧过程中的火焰结构较为复杂,同时存在预混燃烧区域和扩散燃烧区域,扩散燃烧主要分布在化学恰当比等值线附近,预混燃烧区域主要分布在贫油区。     

中心值班火焰对燃烧室性能影响的试验研究

为提高贫燃料燃烧预混低排放燃烧室燃烧稳定性,研究值班火焰对燃烧室工作特性的影响,对国产某型燃烧室进行了模化燃烧试验。试验测试了值班火焰熄灭、贫燃料预混燃烧、富燃料半扩散燃烧状态下,燃烧室各性能参数。分析试验结果发现值班路燃料增加,燃烧稳定性提升,NO_x排放升高,出口均匀性变差,壁面温度降低。并据此绘制1.0工况燃烧室特性线,得到合理工作区间,可以在满足燃烧室设计要求同时达到NO_x和CO排放均低于30 mg/m~3(15%O_2),已达到国际领先水平。试验测定,在0.5工况时,值班火焰可以拓宽贫燃料燃烧熄火边界50%以上。     

配风比对微型燃气轮机燃烧室燃烧性能影响的数值模拟

以采用燃料和空气预混燃烧方式的微型燃气轮机燃烧室为研究对象,根据设计参数对燃烧室进行建模和模拟计算,模拟不同工况下预混燃料在燃烧室内经过湍流流动并发生燃烧化学反应的过程,进而得到燃烧室内的热态流场、温度分布以及出口烟气中污染物的排放量.结果 表明:在总过量空气系数为3.01的情况下,随着旋流器进口当量比的增大以及助燃风质量流量比例的升高,预混火焰的锋面温度有所升高,出口NOx质量浓度与出口温度分布因子呈正相关.     

碳氢燃料预混火焰中苯的生成规律

为了研究碳氢燃料预混火焰中苯的生成规律,首先在定容燃烧弹上进行了实验,对不同工况下,90号汽油和模拟汽油(由异辛烷和正庚烷按9:1的质量比例配制)燃烧产物中的苯进行了采集和定量分析;随后利用高速摄像机对这两种燃料在定容燃烧弹中的燃烧图像进行了拍摄,将定容燃烧弹中的预混燃烧火焰划分热焰区、蓝焰区和冷焰区;最后,利用CHEMKIN软件对不同火焰结构区域中模拟汽油的燃烧过程进行了化学动力学分析.结果表明,苯在预混火焰中的冷焰、蓝焰区域内形成,并在热焰中完全氧化;苯来源于未完全燃烧的碳氢,其排放量取决于未完全燃烧区中苯的质量分数和未完全燃烧区的容积;汽油燃烧过程中形成的碳粒在一定程度上能减少苯的排放量;汽油机冷起动时,燃烧室壁面吸附作用将对苯的排放量有重要影响.     

贫氧、预混火焰热声耦合振荡的声场分析

利用SQLABⅡ振动噪声分析仪对贫氧、预混层流火焰和湍流火焰的热声耦合振荡过程进行声场分析.随着化学当量比φ的增大,燃烧室和预混室内声压振动的特征频率逐渐降低,而对应的声功率峰值逐渐提高.在特征频率附近,燃烧室与预混室内的声压振动趋于同频、同相,两者具有明显的耦合关系;在高频情况下,两者不会发生耦合.在化学当量比φ相同而燃烧室入口雷诺数不同的工况下,燃烧室内的声压振动频谱基本相似,说明可燃预混气的组分浓度变化是火焰发生低频振荡的主要原因,当燃烧在偏离化学恰当比情况下进行时,局部空气系数波动所导致的火焰表面大尺度涡团交替脱落是诱发火焰热声耦合振荡的主要原因.     

湍流预混燃烧的小火焰模型

由Level set方法确定湍流预混燃烧火焰面的位置,考虑CHEMKIN库详细化学反应机理,通过PDF方法建立湍流预混燃烧数学模型,计算组分浓度和温度在火焰内部分布。以矩形突扩燃烧室为例,模拟甲烷/空气预混燃烧的平均火焰位置和火焰内部温度、浓度分布,计算结果与实验结果吻合良好,表明此模型能较好模拟湍流预混燃烧。     

CH_4/CO_2非预混射流火焰燃烧特性实验研究

为了掌握含杂质生物沼气在工业燃烧装置中非预混射流火焰燃烧特性,对CH_4/CO_2非预混射流火焰在300 K和600 K伴流空气中的火焰形态、火焰高度以及推举高度进行了实验研究,并与CH_4/N_2非预混射流火焰燃烧特性进行对比.实验结果表明:在相同工况下,CH_4/CO_2火焰高度较低,但其推举高度高于CH_4/N_2火焰;两种火焰推举高度随伴流温度升高而降低.采用预混火焰模型对火焰推举高度进行了理论分析,得到了两种非预混火焰无量纲火焰推举高度与无量纲燃料流速的关联式.基于预混火焰模型的理论分析表明,预混气层流火焰速度及燃料和氧化剂密度比对非预混火焰的推举高度的影响较为显著.     

9E燃气轮机LEC-Ⅲ燃烧室预混模式的数值计算

采用数值模拟方法对LEC-III燃烧室的燃烧流场进行数值模拟,分析了预混模式下火焰筒内速度分布、温度分布和组分分布.结果表明:在预混模式下,火焰筒通过二级燃料喷嘴旋流器和中心体旋流器形成回流来稳定火焰;中心体旋流器控制了火焰范围,这对组织二级燃烧区的火焰燃烧非常重要;随着吹扫空气质量流量的增加,NO体积分数逐渐减小;模拟计算得出的NO体积分数与试验值接近,且两者的变化趋势一致.     

旋流非预混火焰长度的实验研究与理论预测

在旋流非预混燃烧条件下,测量了变燃料量和变燃烧室压力工况下的火焰长度。采用基于直喷射流火焰建立的Fr模型、Fr_f模型及无量纲热释放率Q~*模型对火焰长度进行预测,将预测结果进行旋流修正后与实验结果进行比较。结果表明:随着燃料量的增大,火焰长度增大,这是由于形成火焰表面所需的空气卷吸增强所致;而随着压力的增大,火焰长度减小。3个模型的旋流修正结果均准确地预测了火焰长度的变化趋势,其预测值均高于实验值,预测值分别是实验值的1.2倍、1.7倍及1.3倍。基于3种模型,将实验数据进行拟合,得到新的关联式,提出了一种基于雷诺数的计算方法。     

涡流室式柴油机准维相关火焰微元燃烧模型的研究

把涡流室式柴油机不同区域与不同时期的燃烧过程分开处理，将涡流室的燃烧过程分为５个时期，即：低温着火化学动力学反应期，向高温预混燃烧化学动力学反应过渡期，高温预混燃烧化学动力学反应期，向空气和燃料混合控制的扩散燃烧过渡期和火焰微元的扩散燃烧期。而主燃烧室的燃烧只有火焰微元的扩散燃烧期。用Ｓｈｅｌ着火模型、Ａｒｈｅｎｉｕｓ方程和相关火焰微元模型来分别模拟其中的低温着火、高温预混燃烧和扩散燃烧过程以建立准维燃烧模型。模型预测的示功图和燃烧放热率与实验值吻合良好。本文还研究了模型中拉伸因子和耗散因子对示功图的影响。     

某型低排放燃烧室喷嘴结构优化研究

为提高干低排放燃烧室火焰稳定性,对某燃气轮机干低排放燃烧室喷嘴进行了结构优化,增加了中心预混值班喷嘴,同时对燃料分配进行调整,分析了值班火焰对燃烧室的火焰稳定性和污染物排放的影响。计算结果表明：值班路过量空气系数为1.5,两级旋流过量空气系数相同时,可有效拓宽燃烧室贫燃熄火边界,同时保持较低的污染物排放。最后通过试验测试了燃烧室的贫燃熄火特性和压力脉动特性,初步验证了值班喷嘴结构对稳定燃烧的作用。     

混合过程对旋流预混火焰燃烧不稳定性影响的实验研究

针对预混火焰燃烧振荡问题,通过改变旋流预混燃烧器的长度和气流速度,研究了混合长度、气体流速和当量比对燃烧不稳定性的影响,检验了时间延迟模型在宽时间尺度范围内的有效性,并揭示燃烧室压力脉动与燃烧器内燃料空气混合的相互作用机制,及其对燃烧模态的影响.结果表明,燃烧室内压力脉动会向上游传播,引起预混管内当量比脉动.当混合时间尺度小于临界尺度时,时间延迟模型具有一定的可行性.预混管内当量比脉动会随气体流动传至燃烧室中,进而影响燃烧过程,导致燃烧模态随混合时间增加而出现稳定-振荡的循环变化.当混合时间尺度大于临界尺度时,压力脉动向上游的扩散和当量比脉动向下游的流动传递衰减严重,燃烧处于稳定模态.该临界尺度约为τfc=1.5.     

同轴离心式喷注器火焰特性实验研究

为了研究高压补燃循环液氧,煤油发动机燃烧室同轴离心式喷注器的火焰特性,分别用富氧空气和煤油蒸气以及空气和甲烷在大气环境下进行了喷注器的燃烧实验,前者采用红外热像仪测量了火焰温度场,后者采用激光诱导荧光技术测量了火焰中CO2和OH的分子浓度分布.结果表明,该型喷注器的火焰形状和燃烧产物组分随氧化剂和燃料的混合比而变化;火焰稳定在喷注器出口处,剧烈的燃烧发生在火焰中心;平面激光诱导荧光技术用于燃烧过程研究,可以提供燃烧场组分分子浓度的信息.     

应用火焰探测诊断煤粉燃烧的试验研究

本文通过火焰探测对煤粉燃烧诊断技术进行了试验研究.首先,利用单色仪获取了煤粉火焰的光谱分布特性,计算了煤粉火焰的色度坐标,发现其煤粉浓度的变化.对稳定燃烧工况和非稳定燃烧工况的火焰信号进行了频谱估计.以上研究成果可用于实际燃烧设备的燃烧监测与管理系统中.图8参8     

用光学纹影摄影术观察分析定容燃烧室内氢燃料的燃烧过程

论述了采用纹影摄影术和高速摄影法观察分析氢气和空气预混合燃料在定容燃烧室内的火花点火燃烧过程,定性地分析了预混合氢气燃料的火焰形态和变化过程,以及燃烧室内的初始压力和空燃比对火焰传播速度及其燃烧压力的影响,通过采用纹影摄影术方法,初步揭示了预混合氢气燃料在定容燃烧室内燃烧时火焰初期紊流产生的机理,以及由开始的层流状火焰发展到湍流状火焰的过程,研究结果表明,预混合氢气燃料燃烧的火焰传播速度及燃烧压力明显地受燃烧室内的初始压力和空燃比的影响。     

同轴分级环形燃烧室低工况燃料分配特性

针对天然气燃气轮机在低工况下的燃料分配策略问题,采用数值模拟研究了7种不同燃料分配模式下的同轴分级环形燃烧室燃烧特性,重点分析了燃料分配模式对速度场、燃料空间分布、温度场以及综合性能的影响。研究结果表明:燃料分配模式是影响燃烧室性能的关键因素,适量控制值班级燃料喷射量可以改善燃烧室内的燃料贯穿深度和温度场分布;预混级虽然可以提高燃料分布均匀性和降低污染物排放,但是会引发回火现象;当燃料通过第一、二级预混级喷入燃烧室时,燃烧室的效率较高、压力损失较小、污染物排放较低。     

预冷涡轮喷气发动机氢燃料燃烧室仿真和试验研究

为了提高氢预冷涡轮喷气发动机氢燃料燃烧室的工作性能,利用数值仿真手段开展了燃烧室的结构优化设计,研究了冷却小孔的分布和数量、预混管长度和氢喷嘴直径等对燃烧流场的影响,并进一步开展了长达800 s无/带转子预冷涡喷燃烧室多次变工况热试验研究。研究表明:优化后的氢燃料燃烧室工作可靠,燃烧效率达到99%以上;在空气/氢混合比为30～88范围内,实现了高速来流空气下多次可靠点火;火焰筒热防护效果良好,仅存在局部高温氧化现象。     

顶燃式热风炉燃烧过程的数值模拟研究

针对某公司的旋流顶燃式热风炉及其工艺参数,建立了气体流动、传热的数学模型,采用非预混燃烧方法处理煤气的燃烧,对其现有工况进行了数值模拟,分析了炉体内部的流场、温度场和浓度场.结果表明,燃烧室温度分布不均匀,出口温度较低;由（于）空气过剩系数较小,导致煤气燃烧不充分,有大量CO剩余;火焰长度较长,严重影响格子砖的寿命.通过调整空气过剩系数,（）的增加空气过剩系数,燃烧室出口CO体积分数明显降低,火焰长度明显变短,出口温度明显提高.     

稳态湍流非预混燃烧的小火焰模拟

以甲烷/空气的湍流射流非预混燃烧为对象,建立二维稳态湍流非预混火焰的小火焰模型.利用湍流流动模型和小火焰模型耦合求解,计算出速度、混合分数、温度以及反应标量的摩尔分数在燃烧室内的分布,模拟结果表明小火焰模型能够用来描述燃烧室内燃烧机理.     

应用图像处理技术进行预混层流火焰传播速度的在线测量

利用图像处理技术，根据层流预混火焰稳定燃烧的条件结合预混火焰燃烧模型，设计了火焰传播速度在线实时测量系统，通过图像采集在线获取火焰的静态图像，然后自动对图像进行滤波，边缘提取，再进行计算得到火焰传播前沿面积，在线算出火焰传播速度，这种方法具有非接触式测量的优点，利用它不仅可以测量层流预混火焰的传播速度，同时还为层流火焰的燃烧机理的研究提供一种直接的手段．