微型燃气轮机燃烧室内三维流动过程的数值模拟

采用RNG κ-ε湍流模型，对Capstone公司75kW微型燃气轮机燃烧室火焰筒内气流三维流动过程进行了数值模拟研究．结果表明，燃烧室火焰筒内有3个回流区，其存在将有助于燃料的连续点火和火焰的稳定．由火焰筒后部两排二次空气掺混射流孔射入火焰筒的射流深度不同，且沿流动方向第一排射流孔射流深度大于第二排．此外，火焰筒内气流轴向、径向和切向速度沿火焰筒径向的分布随着气流沿火焰筒轴向的流动逐渐趋于均匀，且其峰值位置朝向火焰筒中心轴方向移动．     

旋流燃烧室内三维等温流场研究

采用三维RNG κ-ε湍流模型进行了旋流燃烧室内等温流场的数值模拟，给出了旋流燃烧室内不同截面位置速度分布的计算结果．数值模拟结果与文献中实验数据的比较表明，两者符合较好．该燃烧室采用叶片式旋流器并配置一次和二次空气径向射流．比较了一次空气射流和二次空气射流对燃烧室内流场的影响．研究结果表明，经旋流器进入燃烧室的旋转气流和一次射流空气在燃烧室头部形成回流区，这将有助于缩短火焰长度和稳定燃烧．一次空气射流深度几乎达到燃烧室中心，有利于气流的混合并增大回流量；二次空气射流深度较浅，其对燃烧室内流场的影响较小，     

旋流燃烧室中NO排放的数值计算

采用数值模拟的方法研究了旋流燃烧室中旋流数对NO排放的影响，其中湍流采用修正的k-ε模型，燃烧采用EBU-Arrhenius模型，NO的生成包括热力NO和瞬发NO，采用设定的PDF模型．计算结果表明，随着入口旋流数的增加，旋流燃烧室中的高温区移向入口，火焰长度缩短，宽度增大；NO排放量先增加，后减小．因此，适当调整燃烧室的旋流数可以降低NO排放。     

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.     

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。     

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。     

燃烧室出口旋流对静叶栅端壁流动型态和传热冷却特性的影响

贫油预混燃烧室出口的强旋流和温度不均匀特征向下游迁移,直接影响了下游涡轮静叶栅端壁的气动性能,进而改变了气膜冷却端壁的传热冷却特性。设计了具有典型速度和温度出口特征的燃烧室,与实验数据对比,验证了设计的燃烧室出口具有典型的旋流和温度分布特征。采用数值求解三维雷诺平均N-S方程和剪切应力传输湍流模型SST k-ω研究了燃烧室出口旋流对静叶栅端壁流动型态和传热冷却特性的影响。对比分析了燃烧室出口旋流核心与静叶栅沿栅距5个相对位置时气膜冷却端壁的流场型态和传热冷却特性。研究表明：当燃烧室出口旋流中心正对静叶片1时,马蹄涡压力面分支横向迁移被削弱造成滞止点向下游移动,端壁传热恶化,第3排气膜冷却射流被带离端壁,绝热气膜有效度降低;旋流中心正对静叶片2时,马蹄涡压力面分支裹挟第2排气膜冷却射流冲击吸力面,二次冷却效果提升的同时端壁面平均气膜有效度提高,最大值为0.148,无量纲面平均热通量减小了0.055 5。该研究揭示了燃烧室出口旋流对下游静叶栅端壁流场型态和传热冷却特性的影响机制,为端壁气膜冷却布局设计提供了一定的参考。     

燃烧室新型迷宫复合冷却结构冷却比较

以燃烧室新型迷宫复合冷却结构为研究对象,取燃烧室新型迷宫复合冷却结构的一块瓦块,并在某型航空发动机原型气膜冷却火焰筒相同位置切出尺寸相等的1块,在流量、吹风比与实际流场相同的条件下分别对它们的三维流场和壁温进行了数值模拟,获得了其壁温及冷却效率的分布规律,并与原型火焰筒进行了对比。研究表明:相对某型航空发动机燃烧室原型火焰筒,该冷却结构的冷却效率高,流场分布均匀,温度梯度小。     

液排渣粉煤燃烧器空气动力特性的试验

对液排渣粉煤燃烧器内气流运动规律和混合过程进行了冷态模拟研究，分析了结构参数和动力参数对流动的影响。试验表明：燃烧室轴向速度可分成６个不同的区域，存在４个回流区；简单环形挡渣板也能产生环形回流区，在旋风燃烧室设计中可取代锥形缩口挡渣板。最佳参数为：１次风旋流数Ｓ１为１．７８－２．０；１次风口和２次风口距离Ｌ１２＝（０．７５－１．１５）Ｄ；一次风量为１５％－２０％。     

进气涡流对高速柴油机燃烧和排放性能的影响

本文采用应变式微型测速探针测定了一台倒拖的2135G直喷柴油机燃烧室内的切向气流速度,通过装有导气屏的气阀来形成不同的进气涡流强度。实验表明,涡流强度的变化对发动机性能影响较大,存在涡流强度与喷孔数的最佳配合关系。文中提出的最佳经济条件下涡流强度的计算公式能较好地与实验结果吻合。     

柴油机压缩过程紊流场规律的研究

在直喷式柴油机气缸和燃烧室中利用热线风速仪研究了紊流场的发展变化规律;在两种不同压缩间隙情况下对压缩过程中紊流场进行测量的结果表明,只有在压缩过程的初期及中期,紊流场才可以近似地当做均匀各向同性紊流场,而在循环的其它时间内,气缸和燃烧室内的紊流场属于非均匀各向异性的;通过对气缸和燃烧室中空气运动的力、能转换的分析,导出了上止点附近燃烧室内涡流转速的估算公式,利用该公式得到的结果与试验结果相当吻合。研究和探讨了燃烧室中空气涡流和紊流强度增加的原因及其影响因素。     

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.     

涡流室柴油机燃烧系统参数对性能作用规律的研究

研究了涡流室柴油机燃烧系统参数对经济性的作用规律通过选取有代表性的两种涡流室柴油机S1100和S195的燃烧系统主要参数供油提前角、柱塞直径、连接通道宽度和涡流室容积作为正交实验对象,对实验结果进行方差分析得到了涡流室柴油机燃烧系统4种主要参数对经济性的作用规律     

通道尺寸对热面点火天然气发动机工作过程的影响

针对缸内直喷压燃式天然气（CNG）发动机低负荷循环波动大及高负荷NOx排放偏高的问题,设计开发了涡流室式热面点火燃烧系统,研究了涡流室通道尺寸对缸内天然气空气混合气形成、着火燃烧及发动机运转特性的影响．结果表明：选择直径较大的涡流室通道,发动机起动性能较好且缸内混合气燃烧持续期短,对改善发动机的有效热效率有利;选择直径较小的涡流室通道,主副燃烧室内混合气的浓度分层效果明显,能够实现两级燃烧过程,有利于降低发动机循环波动,扩展功率范围及改善NOx排放。     

变通道涡流室式燃烧室气体流动的分析

分析了变通道涡流室式燃烧室和涡流室式燃烧室气体流动的差异，以及变通道涡流室式燃烧室通道结构参数对流动损失的影响；根据计算与试验结果，提出了变通道涡流室式燃烧室通道结构参数的最佳取值范围，研究表明，变通道涡流室式燃烧室的气体流动特性有利于加快油气混合与燃烧的进程，减少流动损失，从而获得比常规涡流室式燃烧室更高的热效率。     

火花点火发动机燃烧室内温度场的实验研究

在实际点火发动机上，利用激光剪切法结合高速摄影，测取了大量燃烧室内干涉条纹图，获取了缸内燃烧的二维温度场，并估算出火焰传播速度。从温度场可以看出，燃烧过程中缸内大致可分3个区：已燃区、未燃区和燃烧区。燃烧区温度最高，温度梯度大；已燃区温度次之，梯度较小；未燃区温度最低，但梯度较大。燃烧过程中，缸内的火焰面以近似球面向未燃区推进，火焰传播速度开始较小，随着燃烧的进行，迅速增大，达到一最大值后，逐渐减小，直至燃遍整个燃烧室。     

直喷式小型高速柴油机燃烧特性的研究

本文论述空气涡流和燃烧室形状对直喷式车用柴油机燃烧特性的影响。研究结果表明:在推迟喷油的条件下,空气涡流和燃烧室形状对减少排烟浓度和提高燃烧效率,具有明显的作用。     

直喷式柴油机进气涡流的预测及与油束的匹配

燃烧室内的空气运动对燃烧过程有重要影响 ,然而实际发动机的缸内气流运动不便直接测量 本文根据稳流气道试验台的试验结果 ,建立了进气涡流预测模型 ,将稳流试验与实际进气过程有机地联系起来 根据所建立模型的模拟计算结果 ,对试验样机的进气道进行改进 改进后的进气道所产生的进气涡流与油束匹配良好 ,降低了发动机的燃油耗和排气温度