回流与火焰拉伸对氢气微尺度燃烧的影响

对火道内置有钝体的微型燃烧器开展了数值模拟研究,以探讨阻塞比(0.3～0.8)对微型钝体燃烧器中氢气/空气混合物燃烧稳定性的影响.采用文献中实验数据验证了所采用的数值模型的准确性,模拟结果表明:氢气/空气混合物的熄火极限随着阻塞比增大而呈先增后减的非单调变化趋势.当阻塞比为0.5时,熄火极限可达最高值,即38m/s.主要原因是增大的阻塞比虽能产生更大的回流区,有利于稳焰,但同时也使钝体附近的速度梯度增大,引起了更强的流体剪切力和反应区拉伸,不利于稳定燃烧.     

钝体阶梯扩管型微燃烧器内氢气-空气燃烧特性及协同性分析

为提高微燃烧器燃烧稳定性和燃烧效率,基于钝体直管和钝体阶梯扩管燃烧器进行微尺度燃烧数值模拟分析研究。研究结果表明:在钝体微燃烧器中加入阶梯扩管结构有助于促进火焰传播和扩大火焰稳定燃烧极限,而且两者的吹熄极限均随当量比(即完全燃烧所需的理论空气质量与实际供给的空气质量之比)的增大而增大;燃烧器的燃烧效率均随当量比和入口混合气速度的增大而降低,而且钝体直管型燃烧器的燃烧效率要比扩管型燃烧器低;散热损失比均随当量比增大呈先增大后降低,随入口速度增大而降低;钝体直管燃烧器协同数高于钝体阶梯扩管,两者的协同数都随入口的混合气速度增大先增大后降低再增大。     

壁面冷却空气对贫油吹熄特性影响的激光诊断研究

针对燃烧室中冷却壁面的冷却气膜会影响燃烧室内的流场、改变回流区结构,从而影响贫油吹熄特性这一问题,在一带有气膜冷却的旋流燃烧室上开展了不同壁面空气占比下的贫油吹熄极限测量。结果表明：壁面冷却空气占比达到0.2时,不同燃油流量下,以全局空气流量计算,燃烧室吹熄当量比降低的范围在0.09～0.1之间;以主流空气计算,吹熄当量比降低范围在0.01～0.028之间。为了更加深入研究这一规律的原因,开展了平面激光诱导荧光(PLIF)激光诊断测量,可知引入壁面冷却空气后,OH基更集中分布在靠近燃烧室底部的火焰根部。在稳定火焰工况中,与近吹熄火焰相比,在燃烧室底部附近的火焰中央有大量OH基分布,这将有助于火焰的稳定,并拓宽贫油吹熄极限。米氏散射实验结果表明,引入壁面冷却空气后可使燃油液滴更集中分布在燃烧室底部附近,这将导致根部火焰局部当量比提高,易于形成稳定的火焰。结合所得实验结果,在所使用的旋流模型燃烧室内,加入占比为0.2的壁面冷却空气,可以拓宽燃烧室的贫油吹熄极限,有助于火焰的稳定。研究结果有望对带有冷却气膜的燃烧室的燃烧稳定性调控问题提供一定的理论指导。     

钝体稳定煤粉火焰的一维数学模型研究

本文在大量实验研究的基础上提出了钝体稳定煤粉火焰的一维数学模型.数值计算表明,由该模型计算出的温度分布与相应实验中测得的温度分布符合较好.1 实验分别进行了正三角形钝体燃烧器、流线体燃烧器和直流式燃烧器的燃烧实验.其喷口截面积均为16×32cm,结构如图1所示.燃烧器安装在燃烧实验炉头部,与之一起构成突扩通道燃烧室.实验主要设备是小型卧式热态试验台,燃烧室横截面积为0.35×0.5m~2.沿燃烧室轴线方向布置有11个测量孔.实验台配有专门的点火油系统.     

微型凹腔燃烧器内氢气/空气的预混燃烧特性

使用计算流体动力学软件FLUENT,并采用详细的化学反应机理,对当量比为0.5的氢气/空气预混气在带凹腔的平板型微通道内的燃烧特性进行了数值模拟.探讨了进气速度和凹腔的长深比对微通道内的温度场、燃烧效率和排烟温度的影响.计算结果表明:随着进气速度的增大,火焰被吹向下游,并且使火焰变得狭长,这会使得壁温分布更加均匀;在同一长深比下,燃烧效率随着进气速度的增加而降低,而排烟温度随着进气速度的增大先升高后降低;当长深比从1增大到3时,增大凹腔的长深比能拓展吹熄极限;长深比从3增大到4时,其吹熄极限相同.     

钝体及开缝钝体燃烧器火焰稳定性对比分析

基于回流区中煤粉挥发分释热点燃主气流实现火焰稳定的集总分析模型，导出使煤粉气流火焰稳定的最小口流区长度、最大允许的主气流流速及极限最大可用挥发分释热量的表达式，并以此为准则对钝体及开缝钝体燃烧器的火焰稳定性能进行了对比分析．研究表明，在相同条件下开缝钝体燃烧器有优于钝体的火焰稳定性能．同时在通道流场燃烧器上对几种煤粉进行了两种燃烧器的燃烧性能实验，其结果与理论分析一致．     

甲烷在具有隔热通道的微燃烧器中的燃烧特性

为了解微小Swiss-roll燃烧室的工作特点,用平板Swiss-roll燃烧器进行CH4/空气预混气的燃烧实验,获得了不同甲烷流量时燃烧器的熄火极限,分析了燃烧产物成分.结果表明:该燃烧器能够实现CH4/空气的稳定燃烧,并确保火焰位于燃烧器的中心;当存在回热时,未燃气体被加热,燃烧器的可燃极限范围增大,但上下极限并不对称,富燃极限比较小,而富氧极限比较大,预混气体能够在较大的空气流量下稳定燃烧;燃烧器最高的壁面温度在理论当量比附近,且随着空气流量的增大,火焰温度逐渐下降;空气过量时甲烷可实现较完全燃烧,空气不足时过剩的甲烷转化为H2和CO,减小了燃烧放热量,使燃烧器容易熄火.     

稀释对射流扩散火焰抬举及吹熄特性影响的实验研究

以低热值气体燃料的燃烧利用为背景,以N_2或CO_2稀释的甲烷或丙烷及内径2mm或3mm的喷管作为多重变量,实验研究了射流扩散火焰的抬举速度及吹熄速度随燃料稀释比的变化规律.结果发现,随着稀释比的增大,火焰抬举速度近似呈线性缓慢减小,吹熄速度近似呈指数快速衰减.分析表明,这主要归因于稀释导致了当量混合层流火焰速度、初始燃料质量分数及燃烧放热的减小,并对低热值气体燃料的燃烧器设计提出了建议.此外,大于临界稀释比时,附着火焰随射流速度的增大不能转变为稳定的抬举火焰而会发生直接吹熄,依据甲烷和丙烷临界稀释比对应的射流雷诺数推测出二者的临界稀释比可能受不同机理的控制.     

钝化及开缝钝体燃烧器火焰稳定性对比分析

基于回流区中煤粉挥发分释热点煤燃主气流实现火焰稳定的集总分析模型，导出使煤粉气流火珠最小回流区长度、最大允许的主气流流速及极限最大可用挥发分释热量的表达式，并以此为准则对钝体及开缝钝化燃烧器的火焰稳定性能进行了对比分析，研究表明，在相同条件下开缝钝体燃烧器有优于钝体的火焰稳定性能，同时在通道流场燃烧器上对几种煤粉进行了两种燃烧器的烧性能实验，其结果与理论分析一致。     

焙烧炉新型燃烧器燃烧特性的数值模拟

对一种用于焙烧炉的新型燃烧器的燃烧过程建立了二维旋转轴数值计算模型,采用数值模拟的方法研究了燃气入口速度和喷口与喉部直径比对其燃烧特性的影响.结果表明,燃烧室内最高温度随燃气入口速度增大而升高.当燃气入口速度一定时,随喷口与喉部直径比的增大,火焰形状由梨状变为燕尾状,燃烧室内最高温度先降后升.火焰长度随燃气入口速度的增大而增长,随喷口与喉部直径比的增大而缩短.     

单角煤粉燃烧炉中煤粉着火与稳燃的数值模拟

在自行建立的数学模型基础上，对单角煤粉燃烧炉中煤粉着火与火焰稳定性进行了详尽的数值模拟。给出了直流式燃烧器、钝体燃烧铭及开缝钝体燃烧器的数值模拟结果，得到了与实验一致的结论，还针对直流式燃烧器考察了影响煤粉着火与火焰稳定性的各个因素。     

通道间距对微凹腔燃烧器火焰吹裂极限的影响

对微型凹腔燃烧器内H2/Air预混火焰进行了数值模拟研究,且通过实验对计算模型的准确性进行了验证.结果表明未燃燃料量随着进气速度的增大而增多.模拟结果显示:通道间距为1.0,0.8和0.6mm时的火焰吹裂极限分别为26,33和16m/s,呈现出非单调的变化趋势.从流动、传热与化学反应之间的相互作用进行了机理分析.当通道间距从1.0mm减小到0.8mm时,凹腔下游的反应区还没有被凹腔出口处的高速气流吹灭,而上下边界层的汇合点向上游移动.这样,凹腔内未能消耗的燃料有充足的时间在下游高温区内被转换,从而增大了吹裂极限;当间距进一步减小到0.6mm时,虽然上下边界层的汇合点进一步提前,但是由于凹腔出口处的流速过大,下游壁面附近的反应区被吹.这使得下游温度水平较低,凹腔内未能消耗的燃料在通道下游也得不到转换,导致通道间距为0.6mm时的火焰吹裂极限急剧下降.     

火焰长度可调式燃烧器的数值模拟

对一种火焰长度可调式燃烧器的燃烧过程建立了数学物理模型,以Fluent63为平台,采用数值模拟的方法研究了热负荷及中心燃料流量与燃料总流量之比β对燃烧室内温度分布和火焰长度的影响.结果表明:改变外围燃气与中心燃气之间的流量比,能够在热负荷不变条件下,实现对燃烧室内温度场和火焰长度的调整.在同一热负荷条件下,燃烧室内的温度场和最高温度都依β而变.随β的增大,燃烧室内的前部高温区逐渐缩小,后部高温区逐渐增大并前移.当β小于05时,火焰长度随β的增大而缩短,而当β大于05时,火焰长度随β的增大而增长,β等于05时,火焰长度最短.     

煤粉钝体燃烧器的数值模拟及稳燃机理的研究

本文对煤粉钝体燃烧器中煤粉气流的流动、传热传质和燃烧过程进行了计算机数值模拟,并在实验及计算的基础上,对钝体使煤粉火焰稳定的机理进行了探讨和分析.     

开缝钝体火焰稳定器的冷态流场分析

利用RNGk-ε湍流模型对开缝钝体火焰稳定器的流场进行了数值模拟,模拟结果与阻力实验值相符,对尾迹结构的分析结果表明：如果选择合适的缝宽比(δ／D=18％),开缝钝体可同时具有阻力低、火焰稳定性好的特点;而在缝宽比δ／D=10％和δ／D=25％两种情况下,由于主、次回流区和中缝流之间的干扰加剧,易形成尾迹振荡,增加总压损失。     

燃气轮机中心分级燃烧器天然气掺氢燃烧的受迫振荡特性

天然气掺氢燃烧是燃气轮机机组降低碳排放重要措施之一,但掺氢燃料的组分变化会导致燃烧室火焰结构及燃烧稳定性发生变化.为分析中心分级燃烧器掺氢燃烧条件下的燃烧不稳定性问题,通过试验研究了燃烧器入口速度扰动下,不同掺氢比对中心分级掺氢燃烧的瞬态火焰结构、压力以及热释放响应的影响,并利用本征正交分解(POD)法提取了火焰脉动的特征模态,发现其主要包含火焰干涉区强脉动和轴向扰动两种模态.试验结果表明,随着掺氢体积比从0%增大到30%,火焰前沿向上游移动,两级火焰间距缩短,火焰干涉对应的脉动模态的能量占比增大,加强了压力与热释放的耦合,导致燃烧室内的压力响应增大9%,热释放响应增大37%.     

多孔介质钝体火焰稳定特性实验研究

提出采用多孔介质材料制作火焰稳定器,利用其通透和弥散性能改善钝体后燃空比,降低钝体引起的压力损失,提高火焰稳定性.通过实心钝体、10和40PPI(pores per inch)多孔介质钝体火焰稳定特性和冷态尾迹测量对比实验发现:多孔介质火焰稳定器可获得更宽的火焰稳定范围;相同燃料和空气伴流条件下,多孔介质钝体后火焰刚性更强,燃烧更充分;实心钝体回流区较靠近钝体,回流区强度较强;多孔介质钝体回流区向下游发展,回流区强度较弱,但空气燃料混合更好.因此多孔介质稳定器关键是要确定合适的孔径,使火焰更稳定燃烧.     

钝体燃烧器湍流分离流场的数值模拟

本文应用涡量流函数法和k-ε双方程模型对煤粉钝体燃烧器的燃烧室中的等温流场——带钝体突扩通道中的流动进行数值模拟。计算出了流场中回流区的几何参数、速度分布、湍动能分布等,得到了与实测数据基本一致的结果。     

低旋流多喷嘴燃烧器性能实验

对燃气轮机低旋流多喷嘴燃烧器的性能进行了实验,分析了当量比和喷嘴出口气流速度对燃烧室压力脉动、排温和排放的影响.结果表明,低旋流多喷嘴燃烧器运行时存在稳定燃烧区、不稳定燃烧区和回火区.随着当量比的减小多喷嘴燃烧趋于不稳定,压力脉动幅值增加,主频降低.随着喷嘴出口气流速度的增加,燃烧趋于稳定,压力脉动幅值减小,主频增加.喷嘴出口气流速度大于12m/s时,多喷嘴燃烧器不存在不稳定燃烧工况.低旋流多喷嘴燃烧器NOx排放与绝热火焰温度呈对数线性相关,且NOx排放随火焰温度的变化比单喷嘴小.     

结合系统辨识的甲烷掺氢预混火焰热声稳定性研究

为了研究甲烷掺氢燃料对燃气轮机燃烧室热声振荡特性的影响，利用计算流体动力学结合系统辨识(CFD-SI)的方法对某旋流预混燃烧室进行了数值研究。在非定常CFD模拟中提取上游速度与火焰整体热释放率波动的时间序列，并通过相关性分析进行系统辨识，获取了不同甲烷掺氢比下的火焰传递函数(FTF),并结合低阶网络模型对燃烧室热声不稳定性进行了分析。结果表明，随着体积掺氢比的提高，火焰逐渐由“V”形变为“M”形，燃烧器出口处的涡结构先形成后消失，这导致了燃烧室热声振荡特性的改变。在体积掺氢比低于30%时，火焰响应不发生较大变化，燃烧室振荡频率小幅提高；当掺氢比在30%～60%时，火焰对低频的响应逐渐增强，对高频响应先增强后减弱，燃烧室在200 Hz附近热声模态的振荡消失，火焰稳定性增强，但高频纯声学模态被激发；而当掺氢比达到60%时，燃烧室内重新出现热声模态的振荡。对于以天然气作为燃料的燃气轮机，适当的掺氢比能改善燃烧室内的热声不稳定性，但氢气加入会更容易激发燃烧室的高频纯声学模态，使其在高频范围内出现振荡。