预混燃烧边界层回火的数理模型及研究进展

回火是影响燃气轮机等动力设备正常运行的关键性问题,边界层回火作为引发回火的主要机理之一,对燃气轮机燃烧室等燃烧装置的设计与运行有着重要影响.自1945年Lewis等提出关于边界层回火的临界梯度模型以来,针对边界层回火,相继发展了Peclet数模型、Damköhler数模型和火焰角度理论等理论模型,但上述理论模型各有不足之处,直到目前,边界层回火的理论模型仍处于持续的发展与完善之中.该文回顾了边界层回火的提出及研究历史,以理论模型建立时间的先后为序,阐释了各理论模型的建立背景、针对性和不足之处,并综述了近年来边界层回火理论模型的发展现状和研究进展,特别是应用数值模拟和统计分析等新方法开展边界层回火研究所取得的进展,进而提出了当前及未来燃烧边界层回火的理论研究方向和突破点.

贫燃预混旋流燃烧器回熄火边界数值模拟

为了预测回熄火边界,采用部分预混燃烧模型对天然气旋流预混燃烧器开展计算流体力学模拟。燃烧室直径60 mm、长160 mm,模拟工况包括空气和体积分数为25%的O2+体积分数为75%的N22种氧化剂,旋流器出口轴向速度为0.6~1.5 m/s范围的回火边界,以及1.5~4.5 m/s范围内的吹熄边界。通过回火和吹熄实验数据对模型进行验证,并分析结构参数对回熄火边界的影响。对比了Realizable k-ε模型和雷诺应力湍流模型,结果表明雷诺应力模型对回熄火边界的模拟结果更好。分析了回火和吹熄前后旋流器出口截面Da的变化情况,结果表明不同气流速度条件下回火临界点的1/Da以及吹熄临界点的Da和混合分数具有一定的关系。保持几何旋流数不变,对比分析了3种旋流器进口结构回熄火发生前后的流场变化及回熄火边界的变化,结果表明结构参数对回火和吹熄区间的影响作用相反,存在最优的进口长度和宽度组合使得由回火到吹熄的稳定燃烧区间最大。

预混段结构对旋流预混氢火焰回火形式影响的数值研究

为了区分不同类型的回火形式,以便可以对不同类型的回火施加不同的控制方法,引入试验设计(DOE)方法和方差分析方法数值分析了预混段长度L和预混段出口处水力直径D对回火形式和回火极限的影响。主要得到如下结论:L和D对回火极限均有显著影响,通过减少混合物在预混段内的停留时间可以同时改善燃烧诱导涡破碎(CIVB)回火和边界层回火;L/D存在两个临界值,当L/D≤(L/D)cri1时发生边界层回火,当L/D>(L/D)cri2时发生CIVB回火,当(L/D)cri1<L/D≤(L/D)cri2时可能只发生CIVB回火或两种回火形式共存;L/D通过改变CIVB回火发生所需的临界切向涡量值而作用于CIVB回火,L/D值越大,诱发CIVB回火所需的临界切向涡量值越小,越容易发生CIVB回火。

燃气轮机燃烧回火机理与数值模拟的研究进展

回火是指火焰向上游传播,从燃烧室进入到预混区的一种燃烧不稳定现象,它是燃烧中最基本和重要的现象之一,从根本上决定了燃烧装置的可靠性.回顾了回火研究的发展历程,详细概述了回火现象发生的5种机制:自动点火、燃烧不稳定性回火、中心流回火、边界层回火和燃烧诱发旋涡破碎引起的回火CIVB(combustion induced vortex breakdown),重点介绍了回火研究领域最近30年的主要工作和当前的研究现状,指出当前燃气轮机回火现象的研究主要集中以下3个方面:燃料组分对回火特性的影响,旋流对回火特性的影响,回火的数值模拟.在此基础上,提出了未来燃气轮机回火研究的重点和方向.