燃烧室热-声-固耦合数值模拟研究

为减少NO_x等污染物的排放,现代燃气轮机多采用贫油预混燃烧技术,由此产生较为突出的燃烧振荡与燃烧室结构疲劳问题。应用有限元软件建立燃烧室数值模型优化燃烧室模型网格;对比分析进气速度対数值模拟结果的影响;运用单向耦合与双向耦合方法计算分析了燃烧室热-声-耦合特性。研究表明:网格质量在一定程度上影响计算精度,进气速度对数值模拟结果影响较大;相对于声压载荷,热载荷对结构固有频率和振型影响较大,特别是在高频段;双向耦合较单向耦合数值模拟结果与实际情况更为接近。热-声-固耦合分析方法对发动机燃烧震荡机理研究及其抗热-声-固耦合疲劳设计具有应用参考价值。     

火焰稳定器对直喷式燃烧室污染物生成影响的研究

本文通过实验研究了不同火焰稳定器对直接喷射式低污染燃烧室燃烧和污染物排放的影响.实验中所用的火焰稳定器分别为45°,60°旋流角的旋流器和三种开孔率不同的多孔板.采用test360烟气测试仪测量在分别改变燃气和空气的流量的条件下,相应的燃烧室出口温度,NOx和CO生成量.通过对采用不同火焰稳定器燃烧室所得到的不同燃烧与排放性能的分析比较,研究了火焰稳定器对燃烧和污染物排放的影响.     

燃空当量比对液体燃料无焰燃烧影响的研究

以微型燃气轮机为应用背景,设计了基于液雾无焰燃烧的模型燃烧室,以实验为主、数值模拟为辅的手段研究了0#柴油/空气的燃空当量比对模型燃烧室的流场结构、燃烧模式、无焰燃烧范围、燃烧温度及分布和污染物排放的影响.结果表明:燃烧室流场呈现明显的环形回流涡,为高温烟气循环提供了流体动力学基础;燃料喷孔附近的混合情况对整个燃烧模式的转变具有重要影响;该燃烧室工作在无焰燃烧模式的燃空当量比Φ范围为0.25～0.50,无焰状态下燃烧室内温度分布均匀;燃烧室平均温度Tavg和污染排放受到Φ和输入功率的影响,在实验范围内,输入功率相同时,随Φ减小,燃烧室平均温度降低,CO和NOx排放浓度增加,另外,Φ相同时,输入功率越低,Tavg越低,CO排放浓度越大,且输入功率越低CO排放浓度增长越快,NOx受输入功率的影响相对小得多.从实验结果分析,适当提高空气预热温度是增强低燃烧室热密度时的贫燃稳定性、拓展贫燃极限和强化燃烧的有效措施.     

燃料分级比例对双燃料燃烧室燃烧性能的影响

通过数值与试验相结合的方法对一种双燃料低污染燃烧室的流场和燃烧特性进行了研究.利用Fluent软件对该低污染燃烧室进行了数值模拟,对燃烧室的点火、熄火特性进行了试验测试,在燃烧室进口参数一定的情况下,改变值班级和主燃级燃料能量的分配比例,对比分析主燃级能量比例对燃烧特性的影响.结果表明,所研究的低污染燃烧室头部存在中心回流区、角落回流区以及唇口回流区;燃烧室的点火、熄火特性满足要求;燃料分级比例对污染物排放具有较大的影响,在双燃料的设计点和单独使用气体燃料时,CO和NO_x排放均达到了燃烧室的设计要求.     

燃烧室热-声-结构耦合数值研究

航空发动机燃烧室多种载荷间的交变作用是影响其工作稳定性及疲劳寿命的重要因素。应用有限元方法开展了燃烧室多场耦合数值研究,对比分析了不同网格质量、湍流模型、流体速度及材料属性等因素对模拟产生的影响,并运用ANSYS Workbench 14.0分别采用单向与双向耦合方式仿真分析了热-声-结构耦合作用下的结构动力特性。通过试验数据与模拟结果的对比分析,得出网格质量对计算时间和准确性影响较大,湍流模型主要影响温度、压力与速度等流场结果,而流体速度对流场温度和结构振动频率等具有较大影响;耦合作用产生的根源为燃烧不稳定性,热载荷较之声载荷对结构振动影响更大且在频率为275 Hz和385 Hz附近时耦合对振动影响较强。研究工作对燃烧室设计等具有重要实际意义。     

燃烧室几何形状对柴油机缸内气体流动和性能的影响(英文)

研究了燃烧室几何形状对直喷式柴油机缸内气体流动和性能的影响 .用多维模型计算了三种不同几何形状的燃烧室内气体流动状况 ,系统分析了燃烧室内紊流、挤流以及湍流动能随时间和空间的分布 ,优化了燃烧室几何形状并在一台单缸柴油机上对优化的燃烧室进行了试验研究 .结果表明 ,优化后的燃烧室内气体运动强烈 ,湍流动能在较大的空间时间范围内维持高水平 .通过适当减小供油提前角 ,采用优化后燃烧室的柴油机预混合燃烧减少 ,扩散燃烧加强 ,取得了低NOx、碳烟、CO、HC排放以及低燃油消耗率的效果     

燃烧室形状对柴油机燃烧及排放影响的试验研究

在105单缸柴油机上，针对燃烧室形状对柴油机燃烧及排放特性的影响进行了试验研究，试验结果表明，中央突起缩口燃烧室具有较高的涡流和挤流强度并有较长的高涡流持续期，可加快缸内混合气的形成和燃烧速度，通过延迟喷油定时，减少了预混合燃烧量，在柴油机油耗率基本不变的前提下，降低了烟度和NOx的排放量。     

天然气再燃过程与排放特性数值研究

应用CFD计算软件FLUENT6.1,对煤粉炉天然气再燃烧过程进行了数值模拟.分析了不同再燃烧工况下,NOx、CO2、CO等污染物的排放量及飞灰含碳量与煤粉炉热效率之间的关系.结果表明,天然气再燃技术能够有效地降低NOx的排放量,且燃料燃烧充分,煤粉炉热效率较高.给出了在保证煤粉炉较高热效率前提下,有效降低NOx排放的天然气再燃量、天然气投射位置以及再燃烧区过量空气系数.NOx排放浓度的计算值与试验值的变化趋势基本保持一致,表明计算方法可用于工程实际.对现有锅炉进行一定的结构改造,通过天然气再燃可达到高效降低NOx排放的目的.     

基于灰色关联的乙酰丙酸乙酯-柴油燃烧排放分析

采用柴油机台架试验,进行了乙酰丙酸乙酯-柴油混合燃料的燃烧排放试验,得到了混合燃料的运动粘度、密度、乙酰丙酸乙酯含量比例、含氧量、十六烷值、低位热值等燃料特性与耗油率,HC、NOx、CO、CO2等排放,尾气烟度等燃烧排放参数.利用灰色关联方法对燃料特性与燃烧排放参数的关系进行了分析,结果表明:油耗率受混合燃料的密度影响较大;NOx、CO和CO2等排放受混合燃料含氧量影响较大;HC排放和尾气烟度受混合燃料的运动粘度影响较大;含氧量是影响燃烧排放的主要参数;尾气烟度受混合燃料特性影响最为明显.利用灰色关联分析对试验进行分析,提高了混合燃料燃烧排放特性研究的全面性,为生物质基乙酰丙酸乙酯的替代燃料利用提供了一定参考.     

基于灰色关联的乙酰丙酸乙酯-柴油燃烧排放分析

采用柴油机台架试验,进行了乙酰丙酸乙酯-柴油混合燃料的燃烧排放试验,得到了混合燃料的运动粘度、密度、乙酰丙酸乙酯含量比例、含氧量、十六烷值、低位热值等燃料特性与耗油率,HC、NOx、CO、CO2等排放,尾气烟度等燃烧排放参数.利用灰色关联方法对燃料特性与燃烧排放参数的关系进行了分析,结果表明:油耗率受混合燃料的密度影响较大;NOx、CO和CO2等排放受混合燃料含氧量影响较大;HC排放和尾气烟度受混合燃料的运动粘度影响较大;含氧量是影响燃烧排放的主要参数;尾气烟度受混合燃料特性影响最为明显.利用灰色关联分析对试验进行分析,提高了混合燃料燃烧排放特性研究的全面性,为生物质基乙酰丙酸乙酯的替代燃料利用提供了一定参考.     

汽车加热器内燃烧的数值模拟

利用AVL公司开发的FIRE软件,对一典型结构蒸发混合式汽车加热器燃烧室内的燃烧过程进行了数值模拟.其中,蒸发和燃烧分别采用Wall Film模型、Coherent Flame模型,氮氧化物(NOx)采用Zeldovich不平衡原理建模,碳烟(Soot)模型为FIRE模型.计算结果及分析表明,一层进气孔布置对燃油蒸汽浓度分布影响很大.加大进气孔直径使进气中心涡流增强,燃油在一级燃烧室中蒸发量增加.主要燃烧发生在二级燃烧室.进气孔切向进气能形成较强的中心涡流,使燃烧高温区主要集中在二级燃烧室的纵向轴心附近.一级燃烧室的周向涡区和二级燃烧室上半部的高温区是Soot生成速率最大的部位;最高燃烧温度未达NOx的生成温度条件,其生成量极少.     

基于本地污染源调查的福州市固定燃烧源大气污染物排放清单及特征

大气污染源排放清单既是大气污染防治的出发点,也是最终评价污染控制措施实施效果的落脚点。固定燃烧源是大气污染的重要排放源,该研究通过发表调查获取相关基本信息与活动水平数据,选取合理核算方法与排放因子,采取自下而上的方法建立了福州市2014年固定燃烧源大气污染物排放清单。结果表明,(1)2014年福州市固定燃烧源排放的SO2为3.99万t,NOx为2.80万t,CO为8.87万t,PM10为1.06万t,PM2.5为0.66万t,BC为0.04万t,OC为0.037万t,VOCs为0.70万t;(2)固定燃烧源污染物排放主要为工业燃烧排放;(3)煤炭燃烧是固定燃烧源污染物排放主要来源;(4)电力行业、非金属矿物制品业、黑色金属冶炼和压延加工业是固定燃烧源主要排放行业;(5)从时间特征分析,火电行业污染物排放与夏季、冬季用电高峰是吻合的;从空间分布来看,固定燃烧源污染物排放主要集中在长乐市、福清市、闽清县、罗源县。对清单进行不确定分析发现,固定燃烧源排放清单不确定性较低。建议后期研究可从规范区域排放清单的分类与编码体系,改进统计数据收集和调查口径,建立具有代表性的本地化排放因子着手,减少清单不确定性,建立高分辨率网格化清单,并应用于空气质量模型预报等。     

预燃室天然气发动机通道参数的模拟研究

为探索预燃室通道结构对胜动12V190型燃气发动机燃烧特性的影响,利用CONVREGE软件,对多种预燃室通道参数下发动机燃烧过程进行模拟。结果表明:当β数一定时,通道数太少会使得主燃烧室火焰周向传播时间太长,而通道数目过多则火焰径向速度下降,其最佳通道数为4;当通道数一定时,β数过小则主燃烧室火焰偏向燃烧室底部,β数过大则火焰偏向燃烧室顶部,其最佳β数为0.35。且发动机的指示功率随通道数和β值的增加先增加后减少,而NOx排放率则随通道数和β值的增加先降低后增加。综合比较,选取β值为0.35的4通道方案,相对于采用均质混合气燃烧方式的原型机,该方案显著提高了燃烧速率,指示功率提高14.1%,NOx排放率分别降低41.5%。     

注蒸汽燃气轮机热声振荡的测试与分析

针对燃气轮机燃烧室在燃烧不稳定时出现的热声振荡现象,在诸多运行条件下对新研发的干式低NOx(dry low NOx,DLN)燃烧室的动态压力进行了现场测试,分析了起动过程、增减负荷过程、蒸汽回注过程对燃烧稳定性的影响.结果表明:在燃气轮机点火后的升速过程中,出现了短暂的热声振荡现象;增加燃气轮机的负荷会使热声振荡增强,而且还会出现不同频谱上的能量迁移,需要调整值班比对其加以抑制;蒸汽回注对燃烧室的稳定性没有明显的影响.     

神经网络与遗传算法结合的球团竖炉燃烧优化

对神经网络与遗传算法结合的球团竖炉燃烧优化方法进行了研究.首先构建了以矿料成分及含水率、相关操作参数以及燃烧室和炉膛温度等16个参数作为输入量,球团竖炉煤气吨耗和NOx污染物排放浓度作为输出量的人工神经网络模型.采用700组现场运行数据作为样本对神经网络进行训练,训练后的模型具有良好的泛化能力和预测精度,煤气吨耗预测误差低于3％且NOx排放浓度的相对误差在5％以内.此外,结合所建模型,采用实数编码的遗传算法,对球团竖炉燃烧进行优化计算,在寻优过程中对煤气吨耗及NOx排放这2个优化分量采用线性加权和的方法转化为单一数值的目标函数.通过选择不同的权重比例得出不同侧重条件下的优化目标函数,并给出该优化函数下寻优所得的操作参量优化控制方案.由所选优化方案数值解可以看出在煤气吨耗上升1.7％的情况下,NOx的排放浓度下降了20.37％.     

燃烧室结构形状对柴油机经济性和排放的影响

对于直喷式柴油机来说，燃烧室结构形状直接影响到燃烧室的气体运动及燃烧过程的进行．最终影响柴油机的经济性和排放性能．本文从小型直喷式柴油机的燃烧过程出发，通过试验对比．结合缸内燃烧放热过程的计算，分析探讨了三种燃烧室结构形状对燃烧放热及柴油机性能的影响，为设计开发新产品提供一定的参考依据．     

联焰稳流器对驻涡燃烧室性能的影响分析

为考察联焰稳流器对驻涡燃烧室的流场和性能的影响,应用高端数字样机系统进行了设计和数值计算。在典型驻涡燃烧室三维模型上添加了联焰稳流器,分析了2个燃烧室模型在不同进口马赫数条件下的冷态流场结构和总压损失。选取进口马赫数为0.2的工况,对2个模型的燃烧流场进行对比,分析了联焰稳流器对燃烧室性能的影响。结果表明:驻涡燃烧室的NOx排放低于普通构型燃烧室;添加联焰稳流器后,驻涡区能更好地实现与主流区的物质交换,避免因主流速度过快,切断驻涡区与主流区的能量传递;燃烧效率从97%提高至99%,出口温度分布系数从0.92降为0.49;2个模型各冷态工况的总压损失也分别增加2%~12%。     

蓄热式燃烧系统动态运行特性研究

蓄热式燃烧系统具有大幅度节省燃料和减少NOx排放的双重优势，是当前最具发展潜力的燃烧系统之一。本文提出蓄热式燃烧系统的蓄热体和燃烧室等关键部件的动态数学模型，在此基础上建立系统的动态模型，并提出通道分离和预估-修正的迭代求解方法。对蓄热式钢包烘烤系统的动态运行特性进行研究，分析了换向阀换向时间和蓄热体长度对系统动态运行特性的影响。     

利用三效催化器控制汽油机稀薄燃烧NOx的排放

为降低汽油机稀薄燃烧NOx排放,研究了采用三效催化器的控制策略,分析了三效催化器在略高于当量 空燃比的稀薄燃烧条件下对NOx转化效率急剧下降的原因,从而提出了在较高空燃比的稀薄燃烧条件下利用三效 催化器控制稀薄燃烧NOx排放的策略,并进行了试验研究．在对三效催化器储氧机理分析基础上,进一步提出了一 种在空燃比浓稀变换条件下利用三效催化器控制NOx排放的策略,该策略大大降低稀薄燃烧汽油机的NOx排放; 通过试验对浓稀循环数和浓稀比例进行了优化．结果表明,稀薄燃烧时NOx转化效率可达45％,稳态NOx排放可 降至200×10-6以下．     

Computational and experimental study on TR combustion system of diesel

一种应用在135柴油机上的新型燃烧系统TR(Three-Rapidity),是由收口深坑ω形燃烧室改进而成,在壁面设置导向圆弧,并与带中孔的多孔喷嘴相匹配.应用STAR-CD软件对TR燃烧系统在50%负荷下的工作过程进行三维数值模拟,并与原机燃烧系统相比较.结果表明,TR燃烧系统的着火点控制在上止点附近,增加了预混合燃烧的比重.采用导向圆弧、缩口燃烧室和中孔喷射,气流运动更加剧烈,燃油空间分布合理,空气利用充分,减少壁面散热损失,并具有良好的冷启动性能.在135单缸柴油机上进行试验研究,和原机相比TR燃烧系统具有良好的烟度排放特性,NOx排放在中小负荷低于原机排放,在高负荷则有所增加,可通过推迟喷油来解决.TR燃烧系统在降低柴油机排放方面具有较大的潜力,对原机结构改动较少,具有广阔的应用前景.