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.

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.

氨气/甲烷贫预混旋转湍流火焰稳定性及NO生成

为了研究氨气/甲烷掺混燃气在贫预混旋转湍流状态下的火焰稳定性及NO的排放特性,设计建造了一个可视化的旋转湍流燃烧装置,开展了一系列的实验测量研究。研究表明:随着当量比增大,氨气火焰稳定燃烧的范围有所扩大,但当氨气掺混比大于0.60时火焰出现上下振荡现象,继续增加将导致火焰吹熄;NO的排放水平随当量比增加而提高;但在相同的当量比下,NO的排放随氨气掺混比的增加先升高再下降。此外,分别采用化学反应器网络(CRN)方法和一维层流预混火焰计算方法,对相应的火焰状态进行了数值计算分析,虽然计算结果与实验结果误差较大,但其预测的NO排放特性随氨气掺混比、当量比的变化趋势是一致的,对三者之间误差的来源进行了分析。

反应机理对CFD计算燃气轮机高压燃烧NO排放的影响

基于GRI3.0、Skeletal mech、8-steps mech、GRI3.0_modify 4个反应机理,采用CFD方法计算了燃气轮机燃烧室甲烷贫预混旋流火焰的温度场、NO生成率分布、NO摩尔分数分布和出口NO体积分数,并对各反应机理出口NO体积分数的计算值与实验值进行比较。结果表明:4个反应机理的NO生成地点主要在火焰表面,NO来源主要为快速型、N2O型及NNH型;对于NO生成率及摩尔分数分布,GRI3.0与Skeletal mech结果一致,GRI3.0_modify明显高于GRI3.0和Skeletal mech,而8-steps mech明显低于其他反应机理;反应机理GRI3.0、Skeletal mech和GRI3.0_modify均对出口NO体积分数进行了准确预测,Skeletal mech在更少的计算时间内(GRI3.0的一半)再现了GRI3.0对NO排放的预测;相比原反应机理GRI3.0,GRI3.0_modify提高了NO排放的预测准确度,8-steps mech的计算值则与实验值偏差较大。

基于DTF和REDIM技术构建的亚网格燃烧模型及其验证

将反应扩散流形(REDIM)技术与动态火焰增厚(DTF)模型结合起来,构建了一种新的湍流预混燃烧模型。用该模型对PRECCINSTA燃烧器全局当量比分别为0.75和0.83的两种贫燃预混旋转火焰开展大涡模拟计算,将计算结果与原DTF模型计算结果以及实验结果进行对比研究,着重分析了速度、温度以及CO2质量分数的径向分布情况。研究表明:新模型的计算结果与实验结果吻合良好,由于新模型求解的组分输运方程数目减少,计算效率比原DTF模型约提高15%;理论上,新模型可推广应用于部分预混火焰的计算,只要采用合适的REDIM化学反应表格,如二维的REDIM表格。

燃气轮机燃烧室中快速型NO形成的数值计算

为数值预测燃气轮机燃烧室生成的快速型NO含量,分别采用完全NO机理GRI3. 0(其中快速型NO机理为HCN子机理)及GRI3. 0_modified(其中快速型NO机理为NCN子机理),通过计算流体力学(CFD)软件计算贫预混旋流火焰下的总NO生成,并将出口NO浓度的计算结果与实验值进行比较;然后分别采用加法和减法计算了HCN子机理及NCN子机理的快速型NO的生成。结果表明:GRI3. 0及GRI3. 0_modified均对出口NO浓度做出了准确的预测,GRI3. 0_modified的准确度比GRI3. 0高7%,这归功于后者的NCN子机理对前者的HCN子机理的替换;加法与减法的计算结果相互对应,验证了这两种方法计算快速型NO的准确性; NCN子机理的快速型NO生成速率高于HCN子机理,前者的NO出口浓度比后者高1倍,分别占各自完全NO机理生成的总NO出口浓度的17%(NCN)及10%(HCN)。