環(huán)形燃燒室燃燒性能的數(shù)值模擬

環(huán)形燃燒室燃燒性能的數(shù)值模擬

由于它具有大規(guī)模的功率大、體積小、重量輕、便于移動(dòng)、振動(dòng)加速快、工作效率高、可選燃料等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于許多行業(yè)的發(fā)電、石油、天然氣生產(chǎn)和管道輸送。改型后燃機(jī)主要燒天然氣和中低熱值燃料,針對(duì)氣體燃料燃燒時(shí)存在燃燒穩(wěn)定范圍窄、燃燒穩(wěn)定性差及控制NO排放與CO排放的矛盾和冷卻等問題,因此需對(duì)燃燒室燃料噴嘴、供應(yīng)管路、點(diǎn)火系統(tǒng)等主要部件進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。長(zhǎng)期以來(lái),燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的設(shè)計(jì)方法主要是依靠大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)歸納出的經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)進(jìn)行的,但隨著計(jì)算流體力學(xué)、計(jì)算燃燒學(xué)的迅速發(fā)展以及計(jì)算機(jī)商業(yè)軟件的廣泛應(yīng)用,利用CFD方法與半經(jīng)驗(yàn)半分析設(shè)計(jì)相結(jié)合的方法來(lái)預(yù)測(cè)燃燒室燃燒流動(dòng)性能和工程設(shè)計(jì)越來(lái)越受到重視,這對(duì)減小燃燒室研制費(fèi)用,縮短研發(fā)周期具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文旨在根據(jù)航改燃機(jī)設(shè)計(jì)圖紙,考慮輸氣管、旋流器等部件對(duì)燃燒室流場(chǎng)的影響建立三維實(shí)體真實(shí)的幾何模型,利用FLUENT軟件對(duì)燃燒室燃燒天然氣與中低熱值燃料進(jìn)行了燃燒性能的數(shù)值模擬。1旋流葉片幾何模型本文所研究的是航改型燃?xì)廨啓C(jī)環(huán)形燃燒室,結(jié)構(gòu)如圖1所示。其環(huán)形燃燒室的內(nèi)徑為395mm,外徑為671mm,長(zhǎng)度為412mm,在燃燒室進(jìn)口截面裝有15個(gè)均布的軸向旋流器,每個(gè)旋流器內(nèi)有5個(gè)葉片,葉片安裝角為78°,在旋流器中心裝有天然氣噴嘴,噴嘴上開有兩排噴射孔共30個(gè)。燃燒室內(nèi)環(huán)有8段氣膜冷卻結(jié)構(gòu),外環(huán)有7段冷卻氣膜,導(dǎo)管安裝邊內(nèi)各有180個(gè)Ф2.0和300個(gè)Ф2.2冷卻孔。在幾何建模時(shí)充分考慮到燃燒室內(nèi)部輸氣管、點(diǎn)火裝置和旋流葉片等部件的存在對(duì)內(nèi)部流動(dòng)的影響,使模型基本接近實(shí)際的燃燒室。同時(shí)又考慮到整個(gè)流動(dòng)滿足一定對(duì)稱性和周期性,取整個(gè)燃燒室的1/15為計(jì)算區(qū)域,即24°扇形段。在空氣供給量52.81kg/s,燃?xì)獗葹?.0168一定情況下,燃燒室燃燒(1)天然氣、(2)中熱值燃料與(3)低熱值燃料,其各燃料成份見表1、表2、表3。2湍流模型的標(biāo)定利用FLUENT軟件中非交錯(cuò)網(wǎng)格求解,數(shù)值模擬采用了非絕熱概率密度函數(shù)(PDF)燃燒模型;采用可實(shí)現(xiàn)(realizablek-ε)湍流模型,避免了強(qiáng)湍流條件下在標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型得到負(fù)的雷諾應(yīng)力的一些不足,采用標(biāo)準(zhǔn)的壁面函數(shù);輻射模型采用了六通量輻射模型;NO生成采用熱力型生成模型。壓力——速度耦合采用了SIMPLE算法,其它變量的離散均采用了二階精度迎風(fēng)插值格式。計(jì)算時(shí)給定燃料和空氣的流量、溫度以及混合分?jǐn)?shù),燃燒室出口給定靜壓。網(wǎng)格劃分采用多塊劃分,對(duì)火焰筒頭部及氣膜冷卻孔采用四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,其余部分采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,另外對(duì)參數(shù)梯度變化大的區(qū)域進(jìn)行了加密處理,最終網(wǎng)格數(shù)為70萬(wàn)。3燃燒3種燃料出口溫度與no、燃燒溫度分布圖2給出了3種燃料下縱切面溫度分布云圖,從圖中看出燃燒中低熱值燃料,火焰長(zhǎng)度較長(zhǎng),這主要由于燃料熱值較低,為獲得同樣功率,需要較大燃料流量。采用與燃燒天然氣同樣結(jié)構(gòu)燃?xì)鈬娮炫c燃燒室,燃料的流動(dòng)速度加大,勢(shì)必影響到燃燒室內(nèi)部流動(dòng)結(jié)構(gòu)。另外,由于各燃料成份不同,火焰高溫區(qū)溫度也不同,低燃料熱值最高溫度只有1280K。圖3給出燃燒3種燃料的出口溫度分布,經(jīng)計(jì)算燃燒天然氣、中熱值燃料與低熱值燃料出口平均溫度分別為1431K、1550K、1216K,出口徑向溫度分布不均勻系數(shù)分別23%、19%、13%,均小于理論值35%,說明該航機(jī)在改型后在一定燃?xì)獗葪l件,燃燒天然氣、中低熱值燃料出口溫度、徑向不均勻系數(shù)指標(biāo)能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。圖4給出燃燒3種燃料的出口NO分布,從圖中可看出燃燒中熱值燃料的NO最高,燃燒低熱值燃料的NO最低,這主要是由于燃燒中熱值燃料的出口溫度較高,而燃燒低熱值燃料的出口溫度較低。這說明NO的生成量主要與出口溫度高低有關(guān),而計(jì)算也表明瞬發(fā)型NO生成很少。因此,為了控制與減少NO的生成,應(yīng)適當(dāng)控制出口溫度。圖5給出燃燒3種燃料的火焰筒壁溫分布,從圖中看出燃燒中熱值燃料的火焰筒壁溫較高,燃燒低熱值燃料的壁溫較低。這主要由于燃燒中熱值燃料時(shí)火焰長(zhǎng)度較長(zhǎng),而燃燒低熱值燃料時(shí)火焰長(zhǎng)度雖然較長(zhǎng),但火焰溫度較低,因此,火焰筒壁溫較低。另外,由于天然氣、低熱值燃料氫含量較少,而中熱值燃料中的氫含量較高,加大了火焰輻射熱流,致使火焰筒壁溫較高。4燃燒天然氣、中熱值燃料出口溫度根據(jù)航改燃機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)建立了包括擴(kuò)壓器和火焰筒在內(nèi)的環(huán)形燃燒室真實(shí)的三維幾何模型,選取SIMPLE算法、可實(shí)現(xiàn)(realizablek-ε)湍流模型,六通量輻射模型,熱力型NO模型對(duì)航改燃機(jī)燃燒天然氣、中熱值燃料及低熱值燃料進(jìn)行了數(shù)值模擬,計(jì)算結(jié)果表明:(1)在適當(dāng)燃?xì)獗葪l件,燃燒天然氣、中熱值燃料出口溫度均能到達(dá)設(shè)計(jì)要求,燃燒低熱值燃料出口溫度較低,而且燃燒中低熱值燃料由于其熱值較低,在同樣輸出功率,勢(shì)必增加燃料供應(yīng)量,從而改變?nèi)紵覂?nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu),因此,應(yīng)適當(dāng)加大噴嘴噴口直徑,降低燃料噴射速度,穩(wěn)定火焰;(2)由于3種燃料成份不同,燃燒產(chǎn)生的火焰溫度、火焰輻射熱流不同,使得火焰筒壁溫也不同,尤其對(duì)燃燒中熱值燃料,應(yīng)考慮增加冷卻壁溫的空氣量;(3)由于燃燒3種燃料出口溫度不同,產(chǎn)生的NO量也不同,溫度越高,產(chǎn)生NO也高,因此,在一定燃燒效率下,應(yīng)適當(dāng)控制出