氢燃料微混燃烧器燃烧特性研究

针对带中心钝体的四喷嘴微混燃烧器,运用ANSYS FLUENT软件,采用热态小火焰生成流形的方法对燃烧器模型进行数值模拟,并与实验研究相结合,研究了甲烷/氢气混合燃料(体积组分40%CH₄-60%H₂)微混燃烧条件下的燃/空掺混,流场、温度场、火焰形态及污染物排放等基础燃烧特性。研究结果表明：微混燃烧器采用空气和燃料径向进气的结构有利于燃/空掺混,在燃烧器出口的掺混均匀性指数达到0.959;燃烧器钝体结构处存在较明显的小型中心回流区,有助于火焰稳定;当量比在0.4～0.8范围内,火焰根部稳定附着在微混喷嘴的出口,火焰彼此相互独立,实验中燃烧器火焰形态与仿真OH^*场分布基本一致;绝热火焰温度在1 500～2 050 K范围内,模型燃烧室出口NO_x排放浓度均低于16×10^-6,CO排放浓度均低于11×10^-6,表明该微混燃烧器的污染物排放水平较低且燃烧效率极高。     

燃气轮机掺氢燃烧技术

目的  随着国家为能源行业设立了碳达峰、碳中和的宏伟目标,对电站燃气轮机低碳排放技术改进的需求日益增长。国内对该目标的关键技术路径的探索亟待展开。燃气轮机的贫预混燃烧技术能使燃烧偏离理论空气量,是目前降低NO_x排放主要技术,同时通过在天然气中掺混氢气燃烧,能够有效降低化石能源的消耗以及降低碳排放量。 方法  采用Chemkin-Pro软件建立一维预混自由传播火焰模型,比较不同当量比、初始温度、初始压力、掺氢比对燃烧温度、燃烧速率、污染物生成浓度、燃烧自由基、链式反应等的影响;模拟燃烧过程的温度分布、燃料组分变化及其排放特性。 结果  发现了通过在天然气中掺混氢气燃烧,能够有效降低化石能源的消耗以及降低碳排放量。但天然气掺氢的贫预混燃烧所带来的较高的火焰温度反而会促进NO_x的生成,同时,在较低的当量比下将会产生更多的CO。 结论  基于以上研究,获得了掺氢燃烧的关键数据,为掺氢燃烧技术路径的完成奠定了基础。     

氢燃气轮机燃烧技术研究进展

在加速碳达峰、实现碳中和过程中,氢作为一种多用途的能源载体受到越来越多的关注.碳中和能力优秀的先进燃气轮机在能源、电力行业中发挥着保障能源安全和平衡电力瞬时供需的作用,使用氢等碳中性燃料的燃气轮机有着广阔前景和需求.回顾了氢燃气轮机燃烧室的发展历史,介绍了氢燃气轮机燃烧技术发展过程中面临的主要问题,归纳了解决回火和NO...     

微混喷嘴结构对氢混燃料/空气掺混均匀性的影响分析

采用数值仿真方法开展了燃气轮机燃烧室微混喷嘴中富氢燃料/空气掺混均匀性问题研究。首先分 析了三种不同微混喷嘴结构的燃料浓度分布和掺混均匀性指数变化规律，发现采用燃料轴向进气、空气径向 进气的燃料/空气掺混方式，能够在合理的总压损失范围内，获得更好的掺混均匀性。然后分析了三种喷嘴 的流场特性，不同径向位置处的轴向速度分布表明，燃料和空气的射流速度会对喷嘴内燃料/空气掺混水平 造成影响，燃料径向喷人和从喷嘴中心区域轴向喷人在轴向高速射流作用下被吹向下游，不能均匀的沿径向 扩散并分布到喷嘴流道内部，使燃料/空气掺混均匀性提高受限。最后分析了富氢燃料中氢含量变化对掺混 均匀性的影响，研究结果表明，氢含量变化会带来燃料射流速度的改变，当燃料射流速度超出合理范围后，会 导致掺混均匀性下降。研究结果为微混喷嘴燃料/空气喷注策略设计提供参考。     

氢混天然气燃气轮机加湿低氮燃烧性能研究

为了解贫预混燃烧室天然气掺氢加湿燃烧时的性能变化和容许加湿范围,解决氢混燃气轮机NO_x排放超标问题,以某燃气轮机燃烧室为研究对象,数值研究了掺氢比和加湿比对燃烧性能及污染物排放特性的影响。结果表明：燃料无加湿条件下,燃烧室出口CO和CO₂排放值随着掺氢比的增加而减小,较高燃烧温度将导致热力型NO_x排放值增加,掺氢比达到0.2以上时,NO_x排放已超出环保限值;燃料加湿条件下,随着加湿程度增加,燃气出口平均流速及水蒸气组分含量均增加,燃烧筒内全局温度、CO₂和NO_x排放值均降低,CO排放值先降低后增加;掺氢天然气加湿可实现低氮燃烧,考虑到低掺氢工况燃气轮机功率输出效能和高掺氢工况燃烧性能恶化问题,水蒸气加湿量不宜过多,当掺氢比为0.3时,推荐燃料加湿比为0.463。     

氢燃料发动机燃烧与排放控制研究进展

围绕氢燃料作为车用发动机理想代用燃料这一主题,全面论述氢燃料发动机混合气的形成规律和点火技术;剖析氢发动机的异常燃烧机理和NOx的排放机理;分析影响氢燃料发动机排放的主要因素;总结异常燃烧和NOx排放的控制技术。     

氢燃发动机国内外研究进展概览

介绍了氢燃发动机的优势和现阶段氢燃发动机本身存在的主要问题，国内外对解决或减轻这些问题的方法及其机理对今后的研究方向也作出了预测。     

燃气轮机燃烧室内NOx生成影响因素的数值研究

低NOx燃气轮机燃烧室的燃烧特性受到旋流的强烈影响，旋流特性的分析对燃烧室的设计和优化具有非常重要的作用。本文对燃气轮机燃烧室的旋流燃烧流动，应用商用程序FLUENT进行了数值模拟，并分析了旋流数、压强、湍流度对燃烧室内燃烧特性和NOx生成特性的影响。模拟结果表明，随着压强的增加，NOx排放逐渐增加，随着燃料入口湍流度的增加，NOx排放将减少，而随着旋流数的增加，NOx排放先是增加而后减小，同时，NOx随压强变化呈指数规律变化，但不同的燃烧组织形式对指数值有较大的影响。     

氢及混氢燃料发动机研究进展与发展趋势

目前,氢燃料发动机发展迅速,本文总结了国内外在此领域的发展现状,分析了目前存在早燃、回火、功率密度低、储运难、NOx排放高等问题,重点介绍了汽油混氢的可行性与研究现状,并指出了未来先进氢燃料发动机的发展方向.     

Large eddy simulation of turbulent buffet forces in flow induced vibration

The pressure pulse filter and Smagorinsky subgrid stress model of the Large Eddy Simulation (LES) are introduced. The fluid field in the annular plenum between the pressure vessel and the core barrel of the1:5 model in the second phase of Qinshan Nuclear Power Plant is simulated, and the distribution of the total pressure in the space and time domains is obtained. The results show that the Power Spectrum Density (PSD) of LES from the calculation and the test are in the same quantity order. Thus, the pressure of LES can be a load to stimulate the barrel vibration. __________ Translated from Nuclear Power Engineering, 2007, 28(5): 14–17 [译自: 核动力工程]     

网格密度对内燃机冷态流场大涡模拟的影响

通过修改发动机多维CFD计算程序KIVA-3V,建立了内燃机压缩过程冷态流场的大涡模拟(LES)计算模型.利用此模型对内燃机压缩过程中缸内流场的水平速度及湍流动能进行分析,同时,分析了网格密度对内燃机缸内流场大涡模拟的影响.结果表明,当采用k-ε模型计算时,网格的精细程度对流场结构影响不大;在相同的计算网格下,与采用k-ε模型计算相比,采用LES计算显示了更为复杂的湍流结构,而且LES所能捕捉到的涡团结构范围要大于k-ε模型,计算得到的湍流动能也要低于k-ε模型;同时,网格越精细,这种效应越明显.     

大涡模拟在防浪级性能研究中的应用

为满足现代舰船对进气过滤系统越来越高的要求,针对进气滤清器的防浪级进行了大涡模拟（Large Eddy Simulation）。亚格子项采用Smagorinsky—Lilly亚格子模型,压力一速度耦合采用SIMPLE算法,空间离散采用中心差分格式,时间离散采用二阶精度的隐式差分格式,获得了反映流场特性的参数分布。与κ—ε湍流模型获得的结果相比较,大涡模拟得到的结果能更详细地反应流场特性。小型风洞上进行的性能实测结果表明数值模拟具有较高的精度,在燃气轮机进气系统的研究中是一种方便快捷的优化设计手段。     

湍流燃烧亚格子线性涡模型研究

湍流燃烧的亚格子模式一直是限制大涡模拟在湍流燃烧中应用的主要困难,介绍了湍流燃烧亚格子模型———亚格子线性涡模型.回顾了该模型的发展历程并给出了其当前形式,指出了该模型建立过程与其他湍流燃烧亚格子模型相比的长处,指出了该模型的不足.对亚格子线性涡模型在湍流燃烧大涡模拟中的应用进行了总结评述,重点分析了该模型应用于超声速燃烧存在的问题.     

基于模态分析的非定常气膜冷却数值研究

为了研究非定常气膜冷却的强化冷却机理,利用大涡模拟对非定常圆孔气膜冷却进行数值模拟,研究了4种不同脉动频率下(St=0,0.2,0.3,0.5)的涡结构与气膜冷却效率,并利用动态模态分解对计算结果进行分析,研究流场与换热的耦合机理。结果表明：脉动频率对非定常射流气膜冷却效率的影响较大,当St=0.2时气膜冷却效率与稳态射流相似,当St=0.3时气膜冷却效率比稳态高,而当St=0.5时气膜冷却效率反而会降低;当St=0.3时非定常射流能抑制下游发卡涡的生成并加速其破碎,从而提高气膜冷却效率;射流脉动产生了很多次生涡结构,这些涡结构促进了在流向方向上射流与主流的掺混,但是抑制了展向上的射流与主流掺混。     

大涡模拟在船用燃气轮机进气流场中的应用

燃气轮机进气系统的结构和气动性能是燃气轮机装舰技术研究的一个重要组成部分。针对这方面的要求,进行燃气轮机进气系统的设计及数值模拟计算,为设计制造高性能的船用燃气轮机进气系统提供可靠的依据。对两种方案的进气系统作了数值计算和实验研究,其结果是相当令人满意的,对进气系统的实际使用具有非常重要的意义。     

基于LES的压气机叶栅通道非定常流动结构研究

为了进一步理解压气机叶栅通道内的非定常流动结构,采用大涡模拟(LES)方法研究了来流附面层厚度和稠度变化对叶栅通道内涡系结构及总压损失系数的影响。研究表明：来流附面层增厚将导致端壁处流体的轴向动能降低,使得马蹄涡压力面分支更早地流向相邻叶片吸力面;来流附面层越厚,通道涡在叶栅尾缘沿展向抬升的高度越高,角区分离的范围也越大;叶栅的总压损失随附面层增厚而增加,附面层损失增加显著,二次流损失有所增大;稠度较低时叶栅吸力面表面存在分离,会对通道涡及角区分离产生影响;稠度增大,横向压力梯度减小,叶栅流道的速度分布更均匀,通道涡的强度和尺度减小,角区分离的范围减小;稠度增大使叶表不再分离时,总压损失显著降低,但稠度继续增大会使气流与叶片表面的摩擦损失增加。     

Aerodynamic performance of a dual turbine concept characterized by a relatively close distance between rotors

In this work, a closely spaced dual turbine concept is studied. The distance between the two side-by-side hubs is 1.05 $D$, where $D$ is the rotor diameter. This configuration has a potential benefit for offshore wind developments in which power density can be maximized. The main goal is to evaluate the overall aerodynamic performance, blade loads, and wake structure of a reference wind turbine generator operating within this dual turbine configuration and to compare the effects against those for the typical single turbine configuration. For this purpose, an actuator line model has been employed together with the large eddy simulation approach for predicting the turbulence effects. This model was implemented by using the open-source computational fluid dynamics toolbox OpenFOAM. Results show a better performance for the dual turbine concept. Under same operating conditions, the aerodynamic power of each turbine within the dual concept is higher than the power of the stand alone turbine, particularly at lower operating wind speeds (approximately 2% to 3% of extra power per turbine). Comparison between the two configurations shows similar character of the tangential and normal forces acting on the blades in terms of magnitude and fluctuation, eliminating potential concerns regarding fatigue and blade design. The largest difference in the tangential and normal root bending moments are approximately 3% and 2%, respectively, between single and dual turbine configurations. Finally, wake recovery analysis shows a downwind velocity deficit that is not enhanced streamwise in the dual turbine configuration with no considerable difference after 7 $D$.     

Improving farm efficiency of interacting vertical‐axis wind turbines through wake deflection using pitched struts

This work presents a numerical study of the obtained performance and the resulting flow field between two interacting large scale vertical‐axis wind turbines (VAWTs), under the influence of a deflected wake through the struts pitching of the upwind turbine. The configuration consists of two VAWTs aligned in the direction of the incoming flow in which a wide range of fixed struts pitching angles in the upwind turbine have been investigated. The main goal is to evaluate the influence of the wake deflection on the turbines performance while they are operating at their optimal tip speed ratio (TSR), and to reproduce the most relevant phenomena involved in the flow pattern of the interacting wake. Arrangements with cross‐stream offsets have also been tested for quantifying the contribution of this modification into the overall performance. For this purpose, an actuator line model (ALM) has been implemented using the open‐source CFD library OpenFOAM in order to solve the governing equations and to calculate the resulting flow. The Large eddy simulation (LES) approach is considered to reproduce the turbulence flow effects. A preliminary study to identify the optimal TSR of the interacting downwind turbine has been investigated.