RANS and LES Modeling of the GE10 Burner

The paper presents 1) the numerical results of RANS (Reynolds Averaging Navier-Stokes) simulations for two versions of the premixed combustion GE10 burners: the old one with non-premixed and modified one with swirled premixed pilot flames;and 2) the numerical results of joint RANS/LES (Large Eddy Simulation) modelling of the ONERA model burner and a simplified GE10 combustor. The original joint RANS/LES approach is based on using the Kolmogorov theory for modelling sub-grid turbulence and combustion intensity and using RANS numerical results for closure the LES model equations. The main conclusion is that developed joint RANS/LES approch is the efficient timesaving tool for simulations both the average and instantaneous fields of parameters in gas turbine and boiler burners with premixed combustion.

不同空气流速对多孔介质微预混燃烧器性能的影响

在不同空气流速条件下,对一种采用多孔介质微预混结构的集群钝体燃烧器展开了试验研究,得到了不同空气流速对多孔介质微预混燃烧器的火焰结构、燃烧不稳定性以及NO_(x)排放的影响机理。研究中使用OH基化学自发光方法拍摄高频火焰结构图像,采用麦克风传感器测量燃烧室压力脉动信号,并利用气体组分分析仪测量燃烧尾气NO_(x)含量。结果表明,随着空气流速的上升,多孔介质微预混集群燃烧器平均火焰图像中反应区略微向下游移动,火焰长度有所增长。在空气流速为30 m/s及42 m/s时,多孔介质微预混燃烧器产生明显的热声耦合振荡燃烧问题,具有较高的NO_(x)排放量;在更高空气流速下,燃烧器能够稳定燃烧,NO_(x)排放量明显降低。采用统计反应区沿轴向的分布概率以及本征正交分解/动态模态分解等方法,发现集群燃烧器热声振荡呈现轴向振荡的特点,并提取了振荡工况下脉动火焰特征结构,可为后续燃烧器结构参数优化及流场调控提供参考。

基于Fluent对燃气灶炉头混气室性能的探讨

燃烧器是燃气灶具的核心部件,对灶具的燃烧性能起决定性作用。燃烧器主要由引射器、炉头、火盖组成。经过多年的发展,通过对引射器引射性能的研究和对火盖尺寸的不断改进,燃气灶具的性能得到大幅提升。而炉头作为引射器和火盖之间的连接通道,由于同时受到两者的影响,存在多种不确定因素,故研究难度较大。本文通过仿真手段分析了某款家用燃气灶的炉头混气室体积对燃气-空气预混气的影响,并制定了优化方案。最后通过对比优化前后的实物燃烧效果,验证了优化方案的可行性,为灶具性能的进一步提升提供了另外一种参考思路。

一种基于敏感性分析的RP-3替代燃料简化机理

为了研究RP-3航空煤油的点火和燃烧特性,基于敏感性分析方法,对一种RP-3数值模拟替代燃料正葵烷的化学反应机理(62组分344步)进行简化,得到对平衡温度和组分浓度有重要影响的基元反应,建立一种该替代燃料的36组分62步简化反应机理。利用CHEMKIN 4.1中完全搅拌反应器对该简化机理进行研究与检验,并在预混燃烧器中对该简化机理进行数值计算,与详细机理结果和试验数据进行比较。计算结果表明:在完全搅拌反应器中采用62步机理计算得到的平衡温度,反应物和主要生成物的摩尔分数与344步详细化学反应机理计算结果整体变化趋势吻合较好;在预混燃烧器中采用62步机理得到的进口反应物和出口生成物摩尔分数与详细机理结果和试验数据稍有差异,但基本变化趋势基本一致。因此,文中获得的62步简化机理能在较大范围内反映正葵烷的燃烧性能,并且大大提高其计算效率。

低甲烷浓度煤层气部分预混式旋流燃烧器燃烧特性的实验研究

针对低甲烷浓度煤层气的特点,设计了150kW部分预混式旋流燃烧器,实验研究了燃烧器结构对低甲烷浓度煤层气燃烧的影响,考察了低甲烷浓度煤层气在燃烧器内的速度分布特性、旋流强度及甲烷浓度变化对温度分布的影响规律。结果表明：加装钝体结构的旋流燃烧器在燃用甲烷体积分数为20%的煤层气时,火焰长度降低,射流刚性增强,燃烧高效稳定;Z轴的逆轴向速度梯度范围随着直旋配风比的增加逐渐增大,射流刚性提高,中心回流区域变大;R轴的逆轴向速度梯度范围随着距离燃烧器喷口距离的增加逐渐缩小,回流区域变小,卷吸高温烟气的能力下降,不利于高效稳定燃烧;燃烧器喷口中心处的旋流强度随热负荷的增加而逐渐增大;当热负荷增加到50%以后,旋流强度随过量空气系数的增大而小幅度波动;当煤层气中甲烷体积分数为20%~30%时,随着甲烷浓度的增加,燃烧器出口的火焰形状呈现出变短变窄的趋势,燃烧稳定性提高,出口温度不超过1 000K,可以有效避免喷口被烧坏。

多孔泡沫陶瓷中预混火焰燃烧速率的试验研究

本文对在多孔泡沫陶瓷中的甲烷／空气预混燃烧的燃速特性进行了实验研究，用一专用燃烧器对两种材质不同孔径尺寸的多孔介质分别测定了它们的预混燃烧速率。所得结果表明，其燃速与层流无多孔介质的自由火焰相比有显著的提高，并且受到材质和孔径大小的影响。同时，当量比的可燃稳定上下界限也有相应扩大。

渐变型多孔介质中预混燃烧试验研究

提出了渐变型多孔介质(GVPM)中燃烧的设想,使多孔介质中流动及传热特性与燃烧规律相匹配,实现高效燃烧和低污染物排放的结合.对天然气在渐变孔径的多孔介质中预混燃烧进行了试验,得出了燃烧室温度分布和污染物排放结果,并与两种单孔径的均匀型多孔介质(HPM)中燃烧结果进行了对比.试验结果表明,渐变孔径的多孔介质燃烧器可以使燃烧室温度分布更加均匀,燃烧更加稳定,对于当量比的变化有更大的调节范围,CO和NOx等污染物排放更低.渐变型多孔介质结合了不同孔径的均匀型多孔介质的流动及传热特性,对燃烧室上下游热量分布进行合理调配,使得最高燃烧温度有所降低;由于孔径的变化,使火焰的稳定性增强.

采用速度匹配法研究本生灯火焰的稳定点位置

采用理论预测与实验研究的方法分析了本生灯火焰的稳定点位置与气流速度的关系,因为火焰稳定点的存在与否直接决定了火焰的存在与否.理论预测采用速度匹配法,通过分析本生灯出口附近冷态流场中气流速度分布与火焰传播速度分布的相对关系,并引入壁面淬熄的影响,预测出火焰稳定点的空间位置并得到了经验关系式.实验则以甲烷-空气的预混层流本生灯火焰为研究对象,确定了火焰稳定点位置与气流速度的相对关系.实验结果与Bernard Lewis的预测不同,即随流速增大,火焰稳定点会朝向射流的下游和射流中心线方向移动.而根据得到的经验关系式预测出的火焰稳定点位置与实验结果符合良好,精度在±20%以内,表明速度匹配法能够准确预测火焰稳定点的位置.

协流部分预混燃烧器设计及激光诊断测量

针对液体燃料层流燃烧的实验测量需要,设计一个边界条件可控的、稳定的液体燃料层流部分预混燃烧器.选取正庚烷与甲苯混合后的液体燃料作为验证火焰的实验燃料.火焰直接成像、双色法测温、激光诊断测量结果均与类似的部分预混火焰测量结果相近,表明了所设计燃烧器火焰的可靠性.激光诊断的研究结果清晰地表明了火焰在不同高度下碳烟及其前驱物多环芳香烃(PAHs)的生成氧化历程,为验证和发展液体燃料浓预混条件下的碳烟生成氧化机理提供数据支撑.

高密度烃层流火焰传播速度试验研究

为了研究液态燃料的预混燃烧特性,利用本生灯方法与数字图像处理技术相结合的方法对高密度烃的层流火焰传播速度和贫油点火、熄火极限进行了试验测量。研究表明:高密度烃的层流火焰传播速度在恰当比为1.1附近取得最大值;贫油燃烧阶段的层流火焰传播速度随当量比的变化幅度比富油燃烧阶段小;当量比相同时,燃油流量的改变对层流火焰传播速度的影响不大;层流火焰传播速度随混合气体温度的增加而增加;随混合气体温度的增加,层流火焰传播速度随当量比的变化幅度增大;燃油流量在小于35ml/h区域内,贫油点火极限、熄火极限的当量比存在一定的波动,且随混合气体温度的增加而减小,但减小幅度不大。

预混燃烧数值模拟与结构改进

对煤气-空气预混燃烧进行了数值模拟,通过模拟研究了燃烧器的结构对煤气-空气预混效果的影响,优化了燃烧器的结构,使煤气-空气预混效果达到最佳。模拟结果与实际燃烧过程情况相符。

本生灯预混火焰淬熄距离实验分析

淬熄距离是表征壁面淬熄效应的一项重要参数.通过直接拍摄火焰位置图片,得到甲烷本生灯预混火焰淬熄距离随来流预混气速度与当量比的变化关系.实验结果表明,本生灯火焰淬熄距离随来流速度的变化规律在不同当量比范围内是不同的.而在同一速度下,随来流当量比增大,淬熄距离贫油时减小,富油时先增大再减小,最后在某一当量比时淬熄距离保持一个定值.这一变化关系是由来流预混气对壁面的冷却作用和火焰面对壁面的加热作用共同影响所造成的,尤其是富油预混火焰的双层结构会极大地影响淬熄效应.

天然气部分预混燃烧的火焰离焰特性实验

天然气组分变化时,末端用户(如民用大气式燃烧器)易出现火焰离焰等燃烧不稳定情况,研究部分预混燃烧器的火焰离焰燃烧特性,对于确保天然气的互换性非常重要。为此,以市场上常见的燃气灶设计参数统计结果为依据,实验设计了一台基准燃烧器,以测试不同天然气组分下的火焰离焰燃烧特性,着重讨论火焰离焰与燃烧器头部温度的关系以及天然气组分对火焰离焰特性的影响。预混燃烧火焰发生离焰时,头部温度与火焰离焰程度互为因果关系;火焰离焰极限值曲线仅由燃烧器结构和气源特性决定,当气源特性一定时,在燃烧器上的火焰离焰极限值曲线即已确定,不存在同一燃烧器上同一气源的不同温度火焰离焰极限值曲线;测试预混燃烧器火焰离焰极限值曲线时,必须保证头部温度恒定,但不需要保证每次测试都在同一温度情况下进行。结论认为:贫组分天然气较之富组分天然气气源更易出现火焰离焰,且出现火焰离焰时头部温度更低;贫气置换富气时,会导致严重的火焰离焰互换问题。

JDG—Ⅰ型燃烧系统的研究

论述了JDG—Ⅰ型燃烧系统的设计原理。经实践检验证明该燃烧系统设计合理,节能降耗效果显著,具有较大的经济价值。该燃烧系统与烘口机配套使用可起到较理想的烘口及表面抛光作用,是一种较新颖的玻璃器皿热加工设备。

凝结换热与冷凝式锅炉原理及应用(待续)

阐述了凝结换热及冷凝式锅炉原理及其应用背景,分析了制约冷凝式锅炉快速发展的技术和政策瓶颈,介绍了先进的凝结换热和冷凝式锅炉应用技术,为我国未来冷凝式锅炉技术创新指出了参考方向。

本生灯层流预混火焰稳定点与熄火机理

采用速度匹配法结合壁面淬熄分析甲烷本生灯层流预混火焰稳定点与熄火机理,得到了贫油与富油状态下火焰稳定点不同的移动规律,定量预测了火焰吹熄特性关系,并通过实验验证.火焰稳定点在本生灯出口附近的边界层中,该处的火焰传播速度与预混气来流速度相平衡;而在边界层中,以火焰稳定点为起点,存在一个可点火区域.随着来流预混气流速的增大或者当量比远离恰当比,这一可点火区域逐渐缩小,直至成为一个点,此时即为熄火的临界状态.通过比较近壁面的当地气流速度与火焰传播速度,并采用非耦合的方法分析壁面淬熄的影响,得到了火焰稳定点的移动规律.在径向上,火焰稳定点随来流速度增大向射流中心线方向移动;在轴向上,随流速增大,贫油工况下稳定点向下游移动,富油工况时则向上游移动.根据火焰稳定点移动规律结合可点火区域分析定量预测了吹熄特性,通过了实验验证,证明了火焰的熄火机理.

凝结换热与冷凝式锅炉原理及应用(续完)

阐述了凝结换热及冷凝式锅炉原理及其应用背景,分析了制约冷凝式锅炉快速发展的技术和政策瓶颈,介绍了先进的凝结换热和冷凝式锅炉应用技术,为我国未来冷凝式锅炉技术创新指出了参考方向。

常规结构和“腔中腔”结构的涡轮级间燃烧室数值模拟

利用流体计算软件模拟涡轮级间燃烧室(ITB)三维两相燃烧流场,研究了常规结构收集涡和腔中腔(CIAC)结构收集涡的ITB燃烧和流场变化规律。湍流模型采用可实现k-ε模型模拟,燃烧模型采用非预混平衡化学反应模型,并对2种不同结构ITB模型的温度、流场、组分等进行了分析和比较。结果发现2种结构的ITB燃烧室可以很明显地提高低压涡轮进口速度及进口温度,周向腔内前半段温度要高于后半段,主流通道下游参与二次燃烧的燃料为未完全燃烧氧化的低碳化和物。"腔中腔"结构的ITB燃烧更充分,温升更大,顶部凹槽具有明显增强火焰稳定性的作用。

天然气部分预混燃烧一次空气系数与燃烧器头部温度关系的模拟仿真与实验研究

针对部分预混燃烧过程一次空气系数变化的研究,很少涉及燃烧器头部温度变化的影响,利用ICEM CFD对部分预混燃烧器进行建模,通过模拟仿真计算不同天然气组分在不同燃烧器温度情况对引射一次空气系数的影响,并结合实验测试,对比模拟仿真结果和实验测试结果,明确燃烧器头部温度与部分预混引射一次空气系数之间的变化关系。模拟结果符合随着天然气沃泊指数的增加大气式燃烧器引射一次空气系数降低的变化规律,一次空气系数实验测试值与模拟值偏差在±0.02之内。当燃气发生置换时,一次空气系数的变化不仅与沃泊指数成反比,同时也受燃烧器头部温度的影响,应在现有一次空气系数计算公式基础上对其进行温度修正。当贫气置换富气时,建议对一次空气系数变化的温度修正系数k取值1.1;反之,当富气置换贫气时,建议温度修正系数k取值0.9;气质相近的两两置换,无需进行温度修正。

水雾作用下富燃料甲烷预混火焰化学发光特性

利用阶梯光栅光谱仪与自行研制的水雾协流管式燃烧器,对富燃料甲烷/空气层流预混火焰化学发光特性进行实验研究.分析了锥形预混火焰燃烧过程中火焰面OH、CH以及C_2自由基粒子光谱强度分布规律,以及水雾协流作用下的预混火焰发射光谱特性,探讨了水雾液滴对富燃料甲烷预混火焰发射光谱的影响.实验结果表明。当水雾量充足时,作用于内锥火焰阵面的水雾液滴使得火焰阵面OH、CH以及C_2自由基粒子发射光谱强度减弱,抑制预混火焰燃烧;当作用于火焰面的水雾载荷比较小时,富燃料预混火焰的OH、CH的发射光谱强度得到一定程度的增强.