低浓度甲烷旋流燃烧器性能数值模拟

为了解决煤层气中低浓度甲烷燃烧利用问题,基于贫燃预混、旋流燃烧等方法,运用传统导向叶片的成型原理提出一种新型旋流叶片.采用数值模拟研究了叶片的结构参数对燃烧器性能的影响.结果表明:随着叶片内径、包络角、数量和出口角增大,旋流强度增大,火焰的形状由细长向短粗转变,火焰向燃烧室中轴线靠近;未燃烧的混合气与高温烟气接触后可以更快达到燃烧温度,燃烧效率提高.但叶片包络角达到90°后,再次增大包络角,燃尽率稳定在98.2%.叶片内径增大,燃尽率先增大后减小,这是因为随着叶片出口速度的增大,混合气在高温区的停留时间反而减少,燃料燃烧效率下降.

航改燃机多点喷射贫预混燃烧室燃料分级实验研究

为保证多点喷射贫预混燃烧室在50%~100%载荷工况范围的NO_(x)和CO排放量满足排放标准,本文实验研究了燃料分级数及不同工况、进口压力、进口温度下燃料分级比例对七喷嘴燃烧室NO_(x)和CO排放的影响规律。结果表明:主模燃料不分级方案,50%~60%载荷工况CO排放量较高而不满足排放标准;主模燃料分两级方案,50%~100%载荷工况范围内NO_(x)和CO排放量均满足f_(NOx)≤25×10^(-6),fCO≤50×10^(-6)(@15%O_(2))的排放标准,且70%工况是打开主模第二级燃料的过渡工况点。另外随着进口压力和温度升高,能同时满足NO_(x)和CO排放标准的R_(pilot)(副模燃料质量流量与总燃料质量流量之比)范围逐渐缩小,且NO_(x)排放量与进口压力关系为F_(NOx)∝p30.44。因此采用主模燃料两级分级方案且适当调节R_(pilot),本文多点喷射贫预混燃烧室NO_(x)和CO能满足目前航改地面燃机燃烧室排放要求。

Mitigation of Combustion Instability and NO_(x)Emissions by Microjets in Lean Premixed Flames with Different Swirl Numbers

Swirl combustion serves as a helpful flame stabilization method,which also affects the combustion and emission characteristics.This article experimentally investigated the effects of CO_(2)microjets on combustion instability and NO_(x)emissions in lean premixed flames with different swirl numbers.The microjets’control feasibility was examined from three variables of CO_(2)jet flow rate,thermal power,and swirl angles.Results indicate that microjets can mitigate the combustion instability and NO_(x)emissions in lean premixed burners with different swirl numbers and thermal power.Still,the damping effect of microjets in low swirl intensity is better than that in high swirl intensity.The damping ratio of pressure amplitude can reach the maximum of 98%,and NO_(x)emissions can realize the maximum reduction of 10.1×10^(−6)at the swirl angle of 30°.Besides,the flame macrostructure switches from an inverted cone shape to a petal shape,and the flame length reduction at low swirl intensity is higher than that of high swirl intensity.This research clarified the control differences of mitigation of combustion instability and NO_(x)emissions by microjets in lean premixed flames with different swirl numbers,contributing to the optimization of microjets control and the construction of high-performance burners.

旋转滑动弧等离子体对稀燃旋流火焰影响的实验研究

等离子体助燃技术被认为是非常有前景的燃烧调控技术,具备显著增强极端条件下的点火和火焰稳定燃烧性能的潜力.滑动弧放电等离子体具有能量强、电弧作用范围广以及适用于高压等优点,文章实验研究了三维旋转滑动弧放电等离子体对稀燃预混钝体旋流甲烷/空气火焰的影响规律.研究了等离子体的特性,包括电学特性、运动特性、光学特性以及温升效应.利用OH-PLIF得到了旋流火焰结构以及火焰结构转变过程,并且研究了等离子体对稀燃吹熄极限的拓展作用.最后利用气体排放仪测量了燃烧室出口处旋流火焰污染物NO_(x)排放.结果表明旋转滑动弧放电能够产生大量的活性自由基,可以增强燃烧中的化学链式反应,另外整体热效应比较弱,主要体现为局部加热作用,放电特性与空气流量和施加电压密切相关.旋转滑动弧能够提高火焰稳定性并且有效拓展吹熄极限,这主要是因为旋转滑动弧放电可以作为点火源和火焰稳定器,能够点燃混合气并且形成外回流区火焰,使得火焰根部更加稳定.对于旋转滑动弧放电等离子体对旋流火焰污染物排放的影响,研究发现等离子体放电能够增加NO_(x)排放,NO的形成来源于等离子体放电,燃料的加入使得NO的含量低于空气中放电时NO的含量.旋转滑动弧放电导致NO的排放最少增加65%,且NO的排放随着当量比降低而降低.

旋流稳定贫燃预混燃烧研究型实验设计

贫燃预混燃烧是先进清洁燃烧技术,为加强科教协同育人,大连理工大学安全工程专业利用Tomographic PIV+OH Chemiluminescence大型仪器平台,开设了旋流稳定贫燃预混燃烧研究型教学实验。实验小组在查阅文献、了解流场与火焰光学诊断原理的基础上,有步骤地合作开展光路标定、流场与火焰捕捉、数据分析、结果讨论全过程。通过实验研究,培养科学志趣,掌握先进仪器开展科研活动的方法,促进毕业要求实践能力的有效达成。

CH_(4)/NH_(3)/空气预混稀燃火焰结构及吹熄特性实验研究

本实验对稳定在钝体旋流燃烧器上的NH_(3)/空气及NH_(3)/CH_(4)/空气预混稀燃紧凑火焰开展了宏观结构及吹熄特性的研究.CH_(4)/空气预混火焰也被用于对比.利用PIV和OH-PLIF同步测量技术捕获流场和瞬时OH分布,获得火焰-流场耦合信息.结果表明,NH_(3)/空气火焰面的流体过量拉伸是导致其局部熄火,促使火焰整体吹熄的主要原因.NH_(3)/CH_(4)/空气火焰根部在临吹熄时也出现过量拉伸和局部熄灭,这将导致火焰最终吹熄.过量拉伸的主要来源为流体剪切变形.NH_(3)/空气火焰的内剪切层涡会进一步促进火焰吹熄.掺混CH_(4)能极大地提高极限拉伸率,增强稀燃火焰稳定性,拓宽火焰的稀燃极限.同时掺混CH_(4)也使火焰的燃烧速度及温度提高,有利于稳定火焰.

多点喷射贫预混喷嘴燃料/空气混合特性研究

基于燃料喷射孔与叶片相耦合的发展趋势,提出了一种新型的带纯收敛出口段的贫预混喷嘴,其燃料喷射孔位于旋流器中空叶片上。验证了采用CO_(2)代替CH4研究混合特性的可行性,采用试验和数值计算相结合的方式研究了喷嘴关键结构参数(叶片角度、喷孔孔径和预混段长度)及气动参数(主流空气温度和压力)对喷嘴混合特性的影响。结果表明:旋流器叶片角度增大会增加旋流湍流度进而提高混合均匀度,而喷孔孔径通过控制穿透深度来影响燃料/空气混合特性,加长预混段尽管有利于混合更均匀,但同时会削弱旋流强度而影响燃烧室火焰稳定性。由于燃烧室流动处于“自模化区”,主流空气压力对混合均匀度无显著影响,而温度升高会缩短预混时间使混合均匀度降低。另外不同结构参数的喷嘴在回流区起始点所在截面的SMV (Spatial Mixing Variance)均低于5×10^(-4),验证了喷射孔与旋流器叶片相耦合的喷嘴能满足贫预混燃烧室混合均匀度要求。

中心分级预混旋流火焰燃烧噪声的实验研究

针对中心分级旋流燃烧器中预混甲烷火焰在常温常压下的燃烧噪声进行了实验研究,主要关注实验工况和限制域结构对燃烧噪声的影响。用声级计测量了燃烧噪声声压级,用带有CH滤镜的单反相机拍摄火焰的平均图像。实验结果表明,在主、预燃级空气流量恒定时,总当量比与分层比对燃烧噪声产生了显著的影响,氢气掺入对燃烧噪声无明显影响;预燃级当量比对于燃烧噪声的产生起关键作用,预燃级当量比越接近1.00燃烧噪声越大;相同工况下,预燃级空气流量分配越多,产生的燃烧噪声越大。改变火焰限制域的结构,使用锥形火焰筒可以减少燃烧噪声的产生。本研究还结合带有CH滤镜的摄像机拍摄的火焰图像,初步分析了燃烧噪声与火焰宏观结构之间的对应关系。

基于PFI+DI的CNG发动机燃烧特性研究

建立天然气发动机三维模型,采用甲烷PFI+DI喷射方式,研究不同喷射参数与点火匹配条件下的燃烧模式,分析了三种燃烧模式下的火焰传播、火焰结构以及发动机指示热效率。结果表明:喷射与点火间隔小于12℃A时,会形成烟羽点火火焰形态,当喷射与点火间隔大于12℃A小于48℃A会形成浓度分层火焰形态,当大于48℃A时会形成预混火焰形态;烟羽点火的火焰传播速度明显高于另外两种燃烧模式;当燃气后喷时,在气流的作用下会与原来的混合气形成浓度分层;在三种燃烧模式下,通过多次调整喷射与点火方案,当喷射时刻为10℃A BTDC,点火时刻为4℃A BTDC,形成的火焰形态为烟羽点火形态,指示热效率高于另外两种燃烧模式,发动机指示热效率最高可达49.45%。

燃料预混特性对燃烧室燃烧特性的影响

为了获得燃烧室燃料预混特性和燃烧特性之间的变化规律,通过分析不同燃料分级方案对燃料预混特性的影响,对燃烧室在不同燃料预混特征数下的燃烧特性进行了实验研究。研究表明:在不同值班燃料比条件下,燃料预混特性变化对NOx生成量的影响趋势不同;在值班燃料比为30%和20%条件下,主燃料管的燃料喷射速度能够加强燃料预混均匀性;在值班燃料比为10%和5%条件下,主燃料管的燃料量越低,燃料预混均匀性越好;燃料预混特性变化对燃烧室出口平均温度、出口温度分布系数和总压恢复系数没有影响。

基于波瓣旋流燃烧器的甲烷燃烧污染物排放特性

贫燃预混燃烧方式是抑制燃烧过程中NO_x生成的方法之一,但易出现燃烧不稳定现象.针对这一问题,试验采用波瓣旋流燃烧器,研究了当量比、预混气分级比、预混气分级形式对NO_x和CO排放规律、燃烧室声压峰值及火焰形态的影响.结果表明,随着当量比的减小,烟气中NO_x浓度减小,而CO浓度上升.旋流侧流量/波瓣内侧流量减小时,烟气中NO_x浓度降低,CO浓度增大.通过调节旋流器和波瓣外侧预混气分级比,NO_x和CO的排放浓度都有所下降,并在旋流侧流量、波瓣内侧流量、波瓣外侧流量分级比为6∶0∶4时浓度较低.燃烧室内声压峰值随当量比的减小而增大.当量比为0.60,预混气分级比为5∶0∶5时,燃烧室声压峰值最低,燃烧较为稳定.

贫燃预混旋流火焰的燃烧不稳定性

在低污染模型燃烧室上,从实验角度研究了常温常压下贫燃预混旋流火焰燃烧不稳定性.主要着眼于当量比、旋流数和掺混段结构对于燃烧不稳定性的影响.结果表明,当量比对燃烧的稳定性具有重要影响,随着当量比的提高,燃烧经历了稳定-不稳定-极限环,振荡的频率变化不大,而脉动压力幅值显著增大,最终达到极限环状态.旋流强度增大会导致压力脉动增大,进入不稳定的最小当量比降低.实验所采用的开孔掺混方式与开放式的自由混合方式相比,对燃烧不稳定压力脉动有减小的效果.

负电场下点电极和网状电极对预混稀燃火焰的影响

针对相同能耗下电极形状对火焰的影响,研究了常温、常压下定容燃烧弹中过量空气系数为1.6时甲烷空气预混稀燃火焰的传播和燃烧特性与加载电压的关系,对比了点电极和网状电极对火焰的影响。结果表明:2种电极下加载电压都使得火焰发生了形变,对火焰横向传播均有明显的促进作用;与未加载电压相比,当加载电压为-5、-10、-12kV时,点电极下火焰纵向传播速度分别提高9.32%、17.20%、4.67%,网状电极下分别提高0.62%、-20.90%、-22.80%,点电极下压力峰值增幅分别为6.4%、9.8%、11.2%,网状电极下增幅分别为5.6%、2.4%、1.3%;加载-5kV电压时2种电极对火焰的影响相差不大,加载-10、-12kV电压时点电极对火焰的促进作用明显优于网状电极。综合考虑可以得出,点电极的性能更加优越。

分级/预混合预蒸发贫油燃烧低污染方案NO_X排放初步研究

对分级/贫油预混合预蒸发低污染燃烧方案的氮氧化物排放进行了初步试验研究,主要目的是考察贫油预混合预蒸发级降低污染排放的能力。预燃级是常规双涡流器空气雾化喷嘴,主燃级是空气雾化喷嘴雾化燃油,配装蒸发管,头部涡流器组织燃烧。燃油为RP-3航空煤油。采用单头部燃烧室,工况模拟了燃烧室进口温度(800K)、进口速度和总油气比,压力为常压。研究结果表明,旋流式贫油预混合预蒸发燃烧的主燃级有降低氮氧化物的潜力,相对于常规燃烧组织方式,能够降低NOX排放量为60%,同时发现,燃油分级比例对NOX降低也有很大影响。

LPP低污染燃烧室两相喷雾燃烧数值研究

提出一种带有多点燃油直接喷射双环预混旋流(TAPS/MLDI)头部的贫油预混预蒸发(LPP)低污染圆筒燃烧室,为了获得该燃烧室两相喷雾燃烧流场与燃烧性能,利用Fluent数值研究三种LPP燃烧室头部方案和四种进口工况。计算结果表明:(1)LPP燃烧室头部冷态流场存在中心回流区、角落回流区和唇口回流区,流场结果与PIV试验结果吻合较好。(2)在头部方案不变的情况下,工况从100%推力下降到7%推力时,出口平均温度逐渐下降,污染物NOx排放相应减少。(3)在进口工况不变时,头部方案B燃烧性能相对最优。(4)热力型NOx的生成速率与燃气温度超过1950K区域的大小和最高燃气温度直接相关,热力型NOx的生成主要分布在火焰锋面附近。

基于LPP的多点喷射低污染燃烧室头部方案优化研究

为了研究贫油预混预蒸发（LPP）燃烧室的性能,设计了两个方案的单管燃烧室。两个方案都采用同心圆式主、副模分区燃烧方式,主模燃油为多点喷射,副模为离心式压力雾化喷嘴。其中方案A主模从外向内喷油,方案B主模从内向外喷油。采用ANSYS CFX软件,对慢车工况和起飞工况的燃烧室进行了数值研究。计算结果表明：流量分配与设计值接近;总压损失介于4%~4.8%;燃烧室有较稳定的回流区和主模出口处大于100m/s的气流轴向速度;工况1时副模富油燃烧,火焰温度高;工况2时主、副模火焰相互独立,主模火焰存在因燃油分布不均匀而产生的高温点;两个方案的出口热点指标均小于0.26;燃烧效率大于99%;污染物排放水平与国际先进水平相近。两个方案在各方面性能上基本接近,方案A略微优于B。

贫油预混燃烧室燃烧稳定性的数值研究

对工业燃气轮机所使用的典型贫油预混燃烧室内的不稳定燃烧特性进行了数值研究.应用非定常N-S方程,基于重整化群的RNGk-ε紊流模型及甲烷与空气的单步反应模型,数值模拟了某典型燃烧装置内2种条件下(空气入口速度分别为30和60 m/s)的气流流动和压力振荡特性.在2种情况下分别可观察到稳定燃烧和不稳定燃烧,数值再现了由于当量比的扰动产生的不稳定振荡燃烧,所得结果同实验结果吻合很好.在模拟的2种情况下,燃烧可以是稳定的或非稳定的,取决于燃料喷注位置到火焰前沿的迟滞时间.通过改变燃料喷注位置,可使得振荡情况发生变化.所得结果为振荡燃烧的进一步分析和有效控制提供了研究基础.

贫燃预混旋流火焰动力学失稳过程分析

利用实验和数值模拟方法对贫燃预混旋流火焰的动力学失稳过程进行了分析,发现燃烧室入口非反应旋流入射过程所诱发的低频压力振荡将引起反应流热声振荡,两者之间具有倍频关系;旋流剪切边界层内较高的速度梯度诱导产生小尺度漩涡,三维螺旋结构的涡漩进动过程将造成火焰面内出现周期性的局部熄火和重新着火,从而使非平衡羟基等值面和中心回流区尺度出现周期性变化,并进一步诱发低频、高幅压力振荡,导致火焰发生动力学失稳;涡漩进动、中心回流区尺度、非平衡羟基等值面变化及压力振荡具有相同的频率.

甲烷/空气预混火焰回火特性数值模拟

为了获得有效的预测回火极限的数值模拟方法,对甲烷/空气预混火焰进行了数值模拟。采用不同的反应机理和燃烧模型,针对一个二维轴对称的本生灯,分别对甲烷/空气预混层流火焰和湍流火焰进行了数值模拟,预测了甲烷/空气预混火焰的回火特性,并与Johnson的实验结果进行了对比。对层流火焰的模拟结果表明,采用Smooke-46反应机理能够较为准确地预测层流回火极限。而单步化学反应所预测的层流回火极限要比实验值低得多,这说明单步化学反应下的火焰更难以发生回火。对湍流火焰的模拟结果表明,涡耗散概念模型比有限速率模型更准确地预测了湍流回火极限。有限速率模型所预测的回火极限略高于实验值。

LPP低污染燃烧室冷态流场与油雾特性

为了研究某贫油预混预蒸发(Lean premixed prevaporized,LPP)低污染燃烧室冷态流场和油雾特性,本文采用粒子图像测速仪(Particle image velocimetry,PIV)首先试验研究不同进口空气流量对燃烧室冷态流场的影响,其次分别在单开值班级喷嘴、主级喷嘴以及同开主级和值班级喷嘴时,分析了燃油流量分配和值班级喷嘴位置对燃烧室油雾特性的影响。试验结果表明:在LPP燃烧室头部流场存在中心回流区、角落回流区和唇口回流区,中心回流区宽度随着距燃烧室头部距离的增加先逐渐增加,而后逐渐减少,且进口空气流量对燃烧室回流区形状影响不大;单开值班级喷嘴时,供油量增加,燃烧室油雾特性变差;单开主级喷嘴时,主级供油量增加,燃烧室油雾特性得到改善;主级和值班级喷嘴同时打开时,随着主级供油量增加,值班级供油量减少,燃油雾化特性得到改善;值班级喷嘴位于喉道处时燃油雾化效果优于值班级喷嘴在旋流器出口处。