氢气微混燃烧器燃空掺混特性数值研究

实现氢气和空气在氢燃气轮机燃烧室喷嘴管外均匀掺混可以在避免回火的同时实现低NO_(x)燃烧。为了在喷嘴出口到燃烧之前尽量实现均匀的掺混,通过数值模拟方法计算分析了微混喷嘴出口的流动特性以及燃空来流相互作用对氢气和空气混合的影响,研究了燃空动量比、燃料微孔间隙比、射流高度及混合长度对微混喷嘴冷态燃空掺混的影响。结果表明:掺混效果直接受标准射流深度、邻射流扰动及扩散段旋涡结构的影响。燃空动量比R_(m)为1.19~1.77时,所达到的标准射流深度可以实现较均匀掺混;间隙比为0.54时,邻射流相互作用会增大射流中心的氢气浓度下降梯度;增加射流高度和混合长度均能降低混合不均匀度;近壁旋涡对的完整发展有利于改善掺混。

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%CH_(4)-60%H_(2))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1500~2050 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。

单管微混燃烧器燃料/空气掺混规律研究

为了使应用于燃气轮机的单管微混燃烧器实现清洁燃烧,达到降低污染的效果,采用数值模拟的方法,从影响单管微混燃烧器燃/空掺混均匀性的几何参数入手,分析了几何参数与掺混均匀性的问题,研究了微混燃烧器中非反应流动以及燃/空分配对掺混均匀性的影响,形成了单喷嘴微混设计方案。三维模拟模型基于如下设计参数建立:空气孔径D_(a)为2~5 m、空气孔间距S为5~11 m、第1排空气孔与燃料主流入口平面距离L_(1)为3~35 m、流速V为50~70 s。结果表明:混合质量并不直接取决于空气孔直径D_(a)的大小,而是与燃空射流动量比有关;空气孔间距S对均匀度的影响较小,且与最短预混段长度L呈三次多项式的关系;L_(1)的长度与预混段长度在给定区间内呈现四次多项式的关系;流速V、空气孔直径D_(a)、射流深度H三者可呈现出一个函数关系,可由已知量推测未知量的范围。基于上述研究结果,在合适的几何尺寸下,单管微混燃烧器可以得到较高的混合质量,压损较小的情况下,使燃/空掺混均匀性更好。

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,燃料径向喷入和从喷嘴中心区域轴向喷入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。