氢燃料先进旋涡燃烧室流动和燃烧特性

为了对整体煤气化联合循环(IGCC)燃气轮机的氢燃料先进旋涡燃烧室(advanced vortex combustor,AVC)结构设计提供理论依据,应用实验和数值模拟相结合的方法对AVC气流流动特性受燃烧室几何参数影响规律进行研究,在此基础上,确定氢燃料AVC内前、后钝体合理的布置方式.应用19步氢气和空气详细化学反应机制,对氢燃料AVC流动和燃烧特性进行数值模拟研究,结果显示:氢气和空气预混和气体主气流当量比为0.65时,在前、后钝体之间形成的凹腔内无喷射气流条件下,燃氢AVC能够形成稳定燃烧,出口温度被控制在1950K以下,总压损失系数为2.7665%,燃烧效率为99.54%.相对于凹腔内无喷射气流,凹腔内有喷射气流的AVC旋涡在z轴方向分层有序、结构更加稳定,但不同xy截面上温度分布不同,导致出口截面温度分布不均匀,总压损失系数略有增大,燃烧效率提高了.      

先进旋涡燃烧室流动与燃烧特性分析

应用三维数值模拟方法,研究了应用先进旋涡燃烧室(AVC)概念设计的燃烧室流动和燃烧特性.研究结果表明:AVC的总压损失系数、燃烧效率、旋涡结构和燃烧稳定性以及污染物排放,受前后钝体形成的凹腔结构内的气流喷射位置、喷射角度和主气流当量比的影响,其中受凹腔结构内的气流喷射位置影响最大.      

环形先进旋涡燃烧室流动、燃烧和污染物排放特性

为了给先进旋涡燃烧技术实际应用提供理论依据,采用实验和数值模拟相结合方法,对环形先进旋涡燃烧室流动和燃烧特性开展研究。首先采用粒子图像测速技术,对三对钝体布置先进旋涡燃烧室,进行冷态流动特性实验。在此基础上,对燃氢螺旋布置18对钝体的环形先进旋涡燃烧室的燃烧特性,开展了数值模拟。结果表明:(1)有后钝体存在,可以抑制气流在前钝体后面形成旋涡脱落,从而减小了流通气流的流动阻力;(2)在凹腔喷射气流的作用下,相对于无喷射条件下凹腔内形成的旋涡结构拉长,而且占据了整个凹腔;(3)随着主气流当量比增加,流经环形AVC气流在前、后钝体间的凹腔内的旋涡结构更加趋于对称,出口平均温度、燃烧效率、NOx质量分数和总压损失系数也增大,出口温度分布系数减小。(4)喷射角在45°范围内,随着喷射角的增加,燃烧效率和出口平均温度增加,NOx质量分数、总压损失系数和出口温度分布系数减小。     

先进旋涡燃烧室后钝体开口结构的数值研究

为了研究不同后钝体开口结构对先进旋涡燃烧室(AVC)流场的影响,分别对不同开口角度和开口尺寸的AVC流场进行了数值模拟。结果表明,后钝体开口比不开口有明显的优势,可通过选择合适的后钝体开口角度和开口尺寸来优化AVC,实现低压降的稳定燃烧。后钝体开口结构AVC可有效提高凹腔温度并使温度分布更加均匀。对于本文AVC结构的后钝体,半开口角度θ为50°,开口尺寸为2mm时,AVC综合性能最佳。     

基于涡流发生器原理的先进旋涡燃烧室燃烧特性研究

为了研究基于涡流发生器(VG)射流原理的先进旋涡燃烧室(AVC)燃烧及流动性能,对不同射流参数(射流前倾角α、侧倾角β、射流孔径D及射流比R)时燃烧流场进行了数值模拟。结果表明,基于涡流发生器射流原理的AVC性能优于传统射流AVC。增大α及β,可以提高燃气掺混率,增大凹腔中心湍流度,并使更多的热能转化为燃烧室出口动能,但是总压损失明显增大。增大侧倾角β可使凹腔内高温分布更均匀。随着射流孔径D及射流比R的增大,燃烧室整体温度分布先增大后减小。当α=60°,β=60°时燃烧室能够在贫燃条件下实现高温、低压降、低污染的稳定燃烧。     

导流片结构参数对先进旋涡燃烧室性能影响研究

为了研究带导流片的先进旋涡燃烧室燃烧及流动性能,对导流片不同结构参数下燃烧室的流场分布、温度分布、总压损失、燃烧效率及污染物排放进行了数值模拟。结果表明,带导流片的先进旋涡燃烧室性能表现出明显的优越性,能够在不依赖凹腔射流的情况下形成理想的双旋涡结构,有利于增强凹腔稳焰及燃气掺混,大幅度提高燃烧效率,改善出口温度分布,降低NO排放。导流片结构参数对燃烧室性能影响呈现出一定的规律。当导流片伸入凹腔的长度与前钝体高度之比(a/B)为0.2,导流片到前钝体上端面的距离与燃烧室进气通道高度之比(b/H)为0.4,导流片到前钝体后端面的距离与凹腔长度之比(c/L)为0.1~0.2时,燃烧室在贫燃条件下可以实现低压降、低污染的稳定燃烧,而且出口温度分布均匀。     

导流片结构参数对四通道环形进气先进旋涡燃烧室性能影响

四通道环形进气先进旋涡燃烧室（AVC）上下两个通道具有冷却燃烧壁面、中间两通道的靠近燃烧室轴线的通道面积小,在贫油燃烧时,一定程度上可充当值班火焰通道的作用。以导流片到前钝体上端面的距离与燃烧室进气通道高度之比 a/E、导流片伸入凹腔的长度与前钝体高度之比 b/H、导流片到前钝体后端面的距离与凹腔长度之比 c/L 为研究对象进行数值模拟,并分析导流片结构参数 a/E、b/H、c/L 不同时燃烧室的流场分布、涡结构、总压损失、燃烧效率。结果表明：随着 a/E 增大,燃烧效率不断提高,但总压损失系数也增大;b/H、c/L 对 AVC 性能的影响较小;当 a/E=0.3、b/H=0.4 及 c/L=0.2 时,燃烧室性能达到最佳;引入导流片后,凹腔内形成稳定的双旋涡结构,凹腔稳焰及燃气掺混有所增强,总压损失较小的同时燃烧效率大幅度提高。     

带驻涡凹腔的径向钝体稳定器燃烧特性研究

针对燃烧室高速气流中低压组织燃烧需求,本文分析驻涡稳定器-径向稳定器组合结构的燃烧性能,对驻涡燃烧室传焰和稳焰结构的优化设计提供支撑。研究采用实验和数值模拟相结合的方法,在0.06～0.08MPa的负压条件下,获得了组合稳定器结构的燃烧效率、出口温度分布和热态流场。结果表明,径向稳定器的存在使得燃烧室出口产生了明显的温度不均匀现象;降低燃烧室总压将导致燃烧效率明显恶化,总压每下降0.01MPa,对应的燃烧效率将下降约5%。燃烧区的位置与流场息息相关,在热态燃烧过程中,高温区集中在凹腔侧边和径向稳定器外侧,燃烧室中央部分存在来源于凹腔值班级、并沿径向稳定器传播的火焰。余气系数的提升将增加主流供油的穿透深度,导致燃烧区进一步集中在燃烧室两侧,出口温度不均匀程度将由此上升,当余气系数下降到2以下时,燃烧室两侧燃油的富集将导致燃烧效率下降。     

冷气入射角及射流比对先进驻涡燃烧流动的影响

为了获得带导流片的先进旋涡燃烧室(AVC)壁面气膜冷却效率的变化规律,对不同冷空气入射角度以及射流比下的绝热壁面AVC冷却及掺混燃烧性能进行了数值模拟及分析。结果表明:入射角等于30°时,射流比越大压损越小;入射角等于60°时,压损相差不大;入射角等于90°时,射流比越大压损越大。入射角等于30°时,燃烧效率受射流比的影响较小;入射角等于90°时,燃烧效率随着射流比的增大而增大。射流比等于1.2及1.5时,燃烧效率随入射角的变化幅度较小;射流比等于1.8及2.0时,燃烧效率随入射角的增大而增大。     

横向射流对凹腔湍流特性影响的数值模拟

为拓宽先进旋涡燃烧室运用领域,探索横向射流与先进旋涡燃烧室凹腔之间的相互作用,采用数值模拟方法,研究了燃料横向射流对凹腔内旋涡结构和燃料分布的影响,以及射流对燃烧室湍流燃烧流动的作用规律。结果表明,冷态射流时,凹腔内湍流强度随射流中心距凹腔的距离增大而增大,且旋涡结构逐渐趋于均匀稳定对称;横向射流可加强燃料与空气的卷吸混合,同时加剧凹腔内质量扩散输运;射流燃烧时,凹腔内可形成高温区域,但旋涡流场由冷态时的两对旋涡结构转变为单对旋涡结构,且旋涡相对不稳定。     

环形中心钝体驻涡燃烧室驻涡腔有无喷射的对比

采用三维雷诺平均Navier-Stokes(N-S)方程、renormalization group (RNG) k-ε湍流模型和标准壁面函数对驻涡腔有无喷射的环形中心钝体驻涡燃烧室的冷态流场进行了数值仿真,分析了驻涡腔有无喷射对环形中心钝体驻涡燃烧室涡系结构、驻涡腔流动参数和燃烧室总体性能的影响.结果表明:相比于无喷射时,驻涡腔添加喷射可以使驻涡腔内形成相对稳定的双驻涡结构;驻涡腔喷射的存在使得环形中心钝体驻涡燃烧室出口截面总压损失系数降低约9.2%,并能提高驻涡腔内的平均气流参数;驻涡腔喷射对环形中心钝体驻涡燃烧室出口截面流动参数沿流道高度方向的变化趋势影响不大.      

驻涡燃烧室掺混孔对流量分配及燃烧性能的影响

数值模拟了三种不同掺混孔面积对二元模型驻涡燃烧室试验器流量分配的影响,并在进口马赫数约为0.3、进口温度约为540 K工况条件下,分别对其进行了试验研究,对比分析了它们的总压损失、贫熄边界和燃烧效率.研究表明:掺混孔面积对流量分配影响较大,在本试验条件下,掺混孔面积较大的驻涡燃烧室试验器的燃烧性能优于其余两种.      

驻涡燃烧室主流对凹腔涡流动的影响

利用粒子图像测速仪(PIV)对矩形模型驻涡燃烧室冷态流场进行了测试,分析了驻涡燃烧室主流速度及结构变化对凹腔内涡流动的影响.实验结果表明,主流速度对凹腔内涡的大小、形状、涡心位置影响不大,旋涡强度及凹腔回流量随速度增大而增大.主流无稳定器时凹腔内涡心基本居中;主流加入稳定器后,凹腔中心剖面涡较大,涡心偏向后方,稳定器剖面涡较小,涡心偏向前方.实验结果为开展热态研究打下基础.      

双涡/贫油驻涡燃烧室的贫油熄火特性试验

对在燃烧室进口高速气流条件下工作的贫油双涡结构驻涡燃烧室,通过改变主流马赫数与温度和改变其凹腔几何尺寸进行贫油熄火性能试验.试验结果表明:①随着主流马赫数的增加,贫油熄火余气系数减小,主流速度是影响贫油熄火性能的最主要因素.②主流温度的升高对拓宽燃烧边界有利,但是在达到600K后,对贫油熄火余气系数的影响逐渐减弱.③双涡试验件后体进气量的增加可以使贫油熄火性能变差.④不同凹腔宽深比对贫油熄火余气系数的影响很大,综合各个试验件结果,深宽比为0.88的双涡试验件的贫油熄火性能最好.      

某驻涡燃烧室性能数值模拟

设计了适用于某驻涡燃烧室模型的喷油杆,对该喷油杆进行了冷态雾化试验,在不同的气液比、不同的气体和液体压力下研究了喷油杆的雾化性能.通过计算流体动力学(CFD)方法对驻涡燃烧室进行了冷态和热态的数值模拟,得到了燃烧室内部的速度场、温度场和质量分数分布.计算结果表明:该燃烧室设计合理,结构紧凑,燃料燃烧充分,凹腔试验件的壁温分布较为理想.得到了总压损失和出口温度分布的变化规律:燃烧室的总压损失略偏大,出口温度分布较为均匀.并对出口温度分布的规律进行了试验验证,研究结果可以为驻涡燃烧室的工程应用提供参考.      

可压流条件下凹腔驻涡流动试验

针对几何因素和气动因素对凹腔驻涡流动的影响进行了研究.试验研究了改变凹腔的高长比、射流孔位置和主流进气角度等对凹腔驻涡流动的影响,研究了改变主次流进口流速等气动因素对凹腔流动的影响.总压损失采用总压探针测量,速度场采用粒子图像测速仪(PIV)测量.试验结果表明:①两股射流在中部和底部喷射时均能产生大尺度涡结构,在中部喷射时产生一对旋向相反的涡对,在底部喷射时产生单涡.②在中部喷射情况下,增加主流马赫数和主流进气角度,凹腔上部空间的涡度增强.③主流进口马赫数增加,试验件的总压损失显著增加.      

回流燃烧室流动特性试验

为了揭示有/无燃烧状态下燃烧室热态和冷态流场的特征和流动特性,针对某型回流燃烧室单头部试验件,使用粒子图像测速仪（PIV）,测量燃烧室燃烧状态下不同截面处的热态流场,以及没有燃烧状态下不同截面处的冷态流场,探讨不同总压损失系数对回流燃烧室热态/冷态流场特征及流动特性的影响。研究表明:随着总压损失系数的增大,冷态条件下各截面流场结构基本保持不变,如射流孔穿透深度、射流角度、回流区位置及大小、流线等基本保持一致,但是各位置点速度大小逐渐增大。热态条件下各截面流场随着总压损失系数增大,流场结构也基本保持不变;相同总压损失系数时,热态流场与冷态流场存在差异,燃油喷射与气流的相对运动将会对燃烧室头部的流场结构造成影响,速度较冷态流动时略微增大。      

数值研究低热值燃料环管燃烧室燃烧流场

在任意曲线坐标系下对采用两种不同组分(天然气掺混氮气、一氧化碳)的低热值燃料环管燃烧室燃烧流场进行计算,结果表明低热值燃料的化学反应速率与其组分直接有关,燃料一氧化碳的燃烧效率高于天然气与氮气掺混物燃料,燃料组分变化对燃烧室燃烧效率与出口温度影响很大,因此选用合适的燃料十分重要.计算所得的燃烧室的燃烧效率和出口温度分布与试验数据符合较好,表明所用的数学模型与计算方法合理,计算程序可靠,可为低热值气体燃料燃烧室研制和优化设计提供有用的数据.