旋流对高温空气燃烧影响的模拟研究

以工业炉的高温空气燃烧技术应用为背景,对一个同心式轴向旋流高温空气燃烧器单烧嘴燃烧室内的高温空气燃烧特性进行了模拟研究。湍流输运方程采用RSM模型,气相燃烧模型采用函数的PDF燃烧模型,辐射换热过程采用离散坐标法模拟,NOx模型为热力型。以天然气为燃料,在预热空气温度为1 273 K,空气含氧量为8%。燃烧总过量空气系数为1.1的条件下,进行了数值模拟计算,讨论了旋流角度和燃烧器的螺旋伸展长度等参数对NOx排放、局部温度、氧浓度和CO浓度分布等的影响。结果表明,旋流燃烧器能进一步降低NO排放,使燃烧更加完全。当螺旋肋片伸展因子R=2,燃料/空气速度比a=1.09,旋流角度θ=180°时,NO排放浓度最小,出口NO的摩尔分数为12.9×10-6,出口CO的摩尔分数为29×10-6。而当旋流角度θ=0°时(直射流),出口NO的摩尔分数为31.7×10-6,出口CO的摩尔分数为372×10-6。     

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.     

旋流角度对燃料掺混特性影响研究

为了研究工业燃气轮机燃烧室旋流器旋流角度对燃料/空气混合均匀度以及NOx排放的影响,针对某型燃烧室的中心分级双级轴向旋流器,应用Fluent软件,选择Realizable k-ε和Species Transport模型,在燃气轮机的设计工况下对不同旋流角度回流区形态、甲烷的体积分数分布、温度场和污染物的排放进行了数值模拟。研究表明：随着内旋流角度从30°增加到50°,燃烧室内流场形成的回流区尺寸有减小的趋势,燃料的分布趋于均匀,主燃区最高温度从2 304 K降低到2 180 K, NOx排放呈先增大后减少的趋势,旋流角度为50°时NOx排放质量浓度为501.045 mg/m3。     

外二次风旋流数对燃烧室内湍流燃烧与NOx生成的影响

建立了采用分级进风方式的旋流燃烧室实验装置。在此实验装置上分别对天然气进行了湍流旋流燃烧的实验研究。在保持过量空气系数不变的条件下,测量了在不同外二次风旋流数下,燃烧室内烟气的时均温度场,O2,CO2,CO和NO浓度场的分布。由实验结果分析讨论了二次风旋流数对旋流燃烧室内湍流燃烧及NOx生成的影响。     

旋流对天然气高温空气燃烧特性影响的数值模拟

以工业炉的高温空气燃烧技术应用为背景,对一个新型轴向旋流式单烧嘴燃烧室内天然气的高温空气燃烧特性进行了数值研究。采用数值模拟的方法研究了同心式轴向旋流燃烧器（HCASbumer）中螺旋肋片的旋转角度对燃烧特性的影响,其中湍流采用Reynolds应力模型,气相燃烧模拟采用β函数形式的PDF燃烧模型,采用离散坐标法模拟辐射换热过程,NOx模型为热力型与快速型。计算结果表明,对预热空气采用旋转射流时,能明显降低NOx生成量。对于HCAS型燃烧器,随着空气射流旋转角度的增大,燃烧室内的回流区域增大增强,降低了局部的氧体积分数分布,燃烧室中平均温度和最高温度都有所增加,且燃烬程度大幅度提高,而局部高温区缩小,只在靠近入口处出现。总的NOx排放量随着空气射流旋转角度的增大先减小,后增大。因此,适当调整肋片的旋转角度可以降低NOx生成量。     

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.     

火焰稳定器对直喷式燃烧室污染物生成影响的研究

研究了不同火焰稳定器对直接喷射式燃烧室燃烧和污染物排放的影响.实验中所用的火焰稳定器为30°、45°和60°旋流角的旋流器和三种开孔率不同的多孔板.采用Testo360燃气测试仪测量不同工况条件下相应的燃烧室出口温度,以及NOx和CO生成量.通过对采用不同火焰稳定器燃烧室所得到的燃烧与排放性能的分析比较,得到了多孔板的开孔率和旋流器的旋流角度对污染物排放的影响结果.     

旋流对同轴富氧扩散燃烧NOx排放的影响

对30%～40%的氧浓度下甲烷富氧空气同轴扩散燃烧的火焰形态、可见火焰高度、燃烧特性以及NOx排放进行了实验测量,研究了旋流数对NOx排放控制的影响.结果显示,随着旋流数的增加,火焰高度略有升高,火焰发光由白色逐渐变为橙黄色;最高火焰温度逐渐降低,温度分布也变得平坦;NOx排放指数随旋流数的增加而降低,氧浓度越高,其下降幅度越大.保持其他条件不变,增加氧化剂流速可以增强旋流对燃烧特性及NOx排放的影响.     

空气旋流数对甲烷燃烧NOx生成影响数值模拟研究

为研究甲烷-空气非预混燃烧下空气旋流数对流动特性、温度分布及其对污染物NOx生成的影响，利用CFD软件，采用标准的k-ε湍流模型、P-1辐射模型和涡流耗散模型进行数值模拟。结果表明：空气旋流数从0提高到0.8的过程中，形成的中心内回流区会强化燃料和空气混合，中心火焰向燃烧室两侧逐渐扩散，火焰长度变短，且高温区移动到燃烧室的前端，局部高温的产生得到了抑制，燃烧室内的温度场更加均匀，进而导致NOx生成量的下降。同时研究燃烧器几何尺寸对气体停留时间及NOx排放浓度的影响，发现缩小空气入口孔隙半径r和燃空径向隔板间距L会导致气流速度增大，促进反应更快地弥散到整个空间，能够进一步抑制NOx的产生。     

空气分级对燃烧室燃烧及污染物排放的影响

燃烧气体燃料的工业用直流式燃烧装置为射流进气，采用空气轴向分级的燃烧组织方式，使用多孔板火焰稳定器稳定火焰．实验在一定的燃料流量和一定的空气总量下，改变两级空气的配比，采用testo360烟气分析仪分别测量燃烧室出口截面的温度、NOx和CO的排放量．通过对两级空气不同配比情况下燃烧室出口截面温度、CO和NOx排放量的分析，得到两级空气不同配比对燃烧和污染物排放影响的规律．此外，初步探讨了一级燃烧区长度对燃烧和污染物排放的影响．     

旋流器安装角对低旋流燃烧流场的影响

分别采用粒子速度影像（PIV）技术和数值模拟方法研究低旋流燃烧器出口下游冷态流场,分析旋流器安装角对低旋流流动结构的影响．结果表明：旋流器安装角与流场中产生回流区时的临界旋流数无关,高旋流与低旋流的分界点约为0．47;安装角较大的旋流器下游流场的发散角和低速区较大;随着轴向距离增大,中心轴线上无量纲轴向速度衰减很快,并且两个旋流器的衰减速率基本相当,左右有两个峰值,安装角较大的旋流器两个峰值衰减速率较大并且峰值之间的距离增大幅度较大;径向速度随着中心射流流速的增大而增大,安装角较大旋流器的径向速度较小;旋流器安装角为40°时后方的流场具有较高的湍动能,火焰传播速度更高．     

采用可变斜轴涡流系统的四气门汽油机缸内斜轴涡流特性的试验研究

研制了一种四气门汽油机可变斜轴涡流系统,在稳流气道试验台上研究了该系统对进气道流通特性和斜轴涡流特性的影响。研究结果表明,在任意可变斜轴涡流控制阀轴线与曲轴轴线夹角情况下,流通系数和无因次斜轴涡流比随着阀片开度的增大而逐渐减小。当斜轴涡流控制阀轴线与曲轴轴线夹角、阀片开度为0°时,流通系数达到最大值为0.82,流通系数调节范围为0.13~0.82。当斜轴涡流控制阀轴线与曲轴轴线夹角为30°、阀片开度为0°时,斜轴涡流强度达到最大值为0.54,斜轴涡流比调节范围为0~0.54。当斜轴涡流控制阀轴线与曲轴轴线夹角为30°、阀片开度为0°时,斜轴涡流倾角达到最大值为86.8°,斜轴涡流倾角调节范围为0°~86.8°。     

涡流特性对汽油机燃烧压力循环变动的影响

利用所研制的四气门汽油机可变斜轴涡流系统,在稳流气道试验台上研究了该系统产生的涡流特性,并在发动机试验台上利用CB-466燃烧分析仪研究了涡流特性对缸内燃烧压力循环变动的影响.研究结果表明,低转速时,平均指示压力循环变动率随涡流比的增加逐渐减小,涡流比为0.43时的平均指示压力循环变动率最小,与涡流比为0.26时的平均指示压力循环变动率相比减小了8.2%.中等转速时,平均指示压力循环变动率随涡流比的增加而逐渐增加,当涡流比达到0.39时,平均指示压力循环变动率最大,与涡流比为0.26时的平均指示压力循环变动率相比增加了20.5%.低负荷时,平均指示压力循环变动率随涡流比的增加变化较为显著,但随着负荷的增加,变化的幅度逐渐减小.     

柴油机进气涡流调节形式及阀板尺寸对进气特性的影响

设计了Z1132柴油机带涡流调节阀的双进气道,并在稳流气道试验台上对该组气道进行了试验。分析了新设计的进气道流量系数和涡流比随调节形式及阀板尺寸的变化规律。试验结果证明,转阀具有导向作用,采用转阀对进气涡流进行调节比用挡板具有更大的调节范围。     

旋流数对旋流煤粉燃烧器NOx生成影响的研究

用数值模拟方法研究了旋流数改变对旋流燃烧器煤燃烧N0x生成的影响，给出了热N0x和燃料N0x生成的详细信息。预报结果表明，当二次风旋流数从0．204增加到0．414时，可以降低燃烧器出口区域燃料N0x的生成，同时可以保持煤粉颗粒较高的燃尽率，另外，模拟结果也表明，燃烧器出口区域的N0x生成主要是由燃料N0x的生成机理来控制，因此，适当提高旋流燃烧器的旋流数可以提高燃烧效率，降低N0x的生成。     

Effects of Prandtl number on three‐dimensional mixed convection in a horizontal square duct with heated and cooled side walls

We examined the effects of Prandtl number on three‐dimensional mixed convection in a horizontal square duct with heated and cooled side walls numerically. Non‐dimensional governing equations were solved for Re = 100, Pr = 0.1–10, and Ri = 36.44 by the SIMPLE method. The numerical results show that the swirl flow was generated along the flow direction, and its pitch lengthened with the increase of Pr. We also examined the strength of swirl flow using the swirl number, S, and we discuss heat transfer behavior as it corresponded to the flow. Heat transfer was promoted by the swirl flow with all Pr, and the optimum value existed within these Pr. © 2010 Wiley Periodicals, Inc. Heat Trans Asian Res; Published online in Wiley Online Library ( wileyonlinelibrary.com ). DOI 10.1002/htj.20319     

一种新型旋流燃烧器的工作特性研究

提出了一种具有新型结构的浓淡式旋流燃烧器,其出口射流由浓淡一次风、内外二次风组成,喷口为特制结构.采用热线风速仪对燃烧器模型出口空气动力场参数进行了测试,同时以颗粒捕集法为手段对一次风粉混合物在经过燃烧器后的气固分离效果进行了试验研究.结果表明：新型燃烧器具有优越且稳定的空气动力场,能够强化回流,提高轴线附近湍动度水平,有利于改善着火条件,抑制NOx污染物的形成;煤粉浓缩装置对实现浓淡分离的作用显著,燃烧器出口浓淡比可达4∶1以上.     

切向燃烧锅炉炉膛内旋流数分布的研究

针对哈三电厂600MW四角切向燃烧锅炉分别进行了冷态试验与数值模拟，重点研究了表征气流旋转强度的旋流数的分布规模，发现炉内实际旋流数远远大于锅炉设计校核时所用的旋流数。并提出从锅炉结构上减少残余旋转的措施，作者的研究对锅炉的设计校核及残余旋转的防治具有重要意义。     

旋流预混合燃烧器基本性能的冷态试验研究

针对多联产系统中热值较低、成份可变的弛放气和粗煤气的燃烧利用,设计了可调旋流强度预混合燃烧器来获得弛放气和粗煤气的高效、低污染稳定燃烧.利用电子微压计和热线风速仪分别对影响燃烧器阻力特性及喷口旋流强度的各个因素进行了冷态试验研究,得到了各种因素对旋流燃烧器基本性能的影响规律.结果表明:对于30°、45°、60°倾角的旋流叶片,燃烧器进入第二自模化区的临界雷诺数为11 000,对应的阻力系数分别为0.209、0.269、0.428;对于3种倾角旋流叶片,当芯管离开喷口缩口断面的无量纲距离不小于0.25~0.5时,喷口处气体旋流强度不再改变.