燃气轮机燃烧室预混燃烧自激不稳定性的研究

摘要

随着能源可持续性发展战略的实施和环境保护意识的增强，发展高效清洁的燃气轮机技术引起了全世界的广泛重视，尤其是降低燃气轮机燃烧有害物质的排放已成为当前研究的中心和发展的重点，其主要目的是要求显著降低有害氮氧化物(NO<,x>)的排放。均质化预混低温燃烧技术可以降低燃烧的峰值温度，从而使得NOx的排放从本质上降低。但是预混燃烧技术的发展受到了燃烧不稳定性的限制，其表现为燃烧室出现自激振荡。燃烧室自激振荡是一种低频、高振幅的压力振动，它除了产生噪音外还对燃气轮机设备的安全运行具有很强的危害。此外这种压力振动还常常干扰燃烧过程，使有害物质的排放升高。因此，燃烧自激不稳定性问题是燃气轮机发展中最关键和最急需解决的问题。 本文首先对预混燃烧的自激不稳定性进行了实验研究。建立了矩阵结构预混燃烧器实验台，利用多麦克风测量方法对燃烧器自激振荡的声场进行测量，利用阴影成像技术记录了自激振荡过程的火焰运动状态，对实验燃烧系统的稳定特性和燃烧自激振荡过程中火焰运动的动态特性进行了研究。研究结果表明，声波在火焰简内的反射和传播是燃烧系统产生自激振荡的条件，矩阵式平面通道预混燃烧器在较宽的工作范围内具有强烈的产生自激振荡的趋势而且具有明显的非线性现象。所测得的燃烧室振动噪声的频率和幅度随过量空气系数的变化分阶段地变化。燃料的选择对燃烧器的稳定特性没有很太的影响。对此燃烧器装配不同长度的火焰筒，燃烧系统的基本稳定特性没有发生本质性的变化。对火焰的运动特性进行分析发现，当发生自激振荡燃烧时，火焰有规律地脉动并且开始周期性地变形分离。火焰振荡的周期与声波压力的振荡周期很好地吻合。 针对预混燃烧室内燃烧不稳定性问题建立了能够反映燃烧不稳定性过程的非稳态可压缩三维湍流反应流的数学物理模型并提出了适用于燃烧不稳定性问题研究的有效算法。特别是，对于修正的RNG k-ε湍流模型，适宜于反应流动的模拟，有限速率/涡耗散(FR/EDM)燃烧模型适用于湍流预混燃烧的计算；对于燃烧室三维反应流计算区域的离散化采用曲线坐标系下的贴体网格；物理量的差分格式采用既能保证数值解具有物理意义又能在一定的计算工作量下具有高准确度的QUICK差分格式；采用适用于可压缩流动的SIMPLE算法；对燃烧室流场的非线性和强源项问题，采用了欠松弛方法。应用所建立的数值模型和计算方法对实验燃烧器典型工况的预混燃烧过程进行三维数值模拟计算，将计算得到的结果与实验结果进行细致而深入的对比。结果表明，数值计算精确地捕捉到了不稳定燃烧过程中的自激振荡和火焰的动态行为，并且计算结果与实验结果很好地吻合。本文应用CFD方法所建立的数值计算模型和计算方法可以进行燃烧不稳定性的数值研究。 在对实验燃烧器的不同过量空气系数工况进行数值模拟的基础上，结合非线性混沌理论详细讨论了不同工况下自激振荡燃烧过程中火焰的动态特性和燃烧室内压力、温度、速度、热释放率等参数的变化规律与相互关系。结果表明，过量空气系数对燃烧不稳定性的影响很大，而且燃烧不稳定过程具有混沌特性。 对燃烧不稳定过程的热声学特性进行了理论和数值上的分析。研究发现不同过量空气系数工况下的燃烧室内整体热释放的波动与压力振荡的波动相似，而且它们之间很好地符合瑞利准则所表述的相位关系，周期性的加热过程驱动压力的振荡。但不同过量空气系数条件下，整体热释放波动和压力振荡之间的相位角的大小相差不是很大。这表明虽然可以通过整体热释放和压力之间的相位关系判断是否能够产生自激燃烧振荡，但是却不能通过它们之间的相位关系判断不同工况下自激振荡幅值大小的变化趋势。通过对不同工况条件下的燃烧过程进行的数值计算发现，燃料化学反应速率等值线分布的变化过程与整体燃烧热释放的变化过程很好地吻合，这表明燃料的化学反应速率可以很好地表征燃烧的热释放率。这就提供了一种在数值模拟中计算局部燃烧热释放率分布状况的方法。 本文通过对涡声理论和不同工况下燃烧反应流数值计算结果的分析，对预混燃烧自激不稳定性的驱动机制进行了研究。研究发现，燃料和空气预混后的气流进入突扩的燃烧室容积时，在燃烧室内将形成剪切层并在剪切层内生成涡。化学反应将在剪切层的漩涡内发生，导致涡内的变化。而涡的变形又导致火焰前锋的分离变形，使得涡内的热释放周期性变化，热释放的周期性变化又致使漩涡作周期性变形运动。涡的周期变形运动动能在燃烧器里驱动起声学压力的脉动，为声波脉动提供能量。反过来，声学压力的脉动又与剪切层内的涡和燃烧化学反应互相作用，使其更加不稳定。当声学压力脉动和燃烧热释放的脉动之间的相位满足瑞利准则时便更加强了燃烧的不稳定，这样就形成了一个控制机理的闭环反馈环。研究还表明，燃烧室自激振荡幅度的大小与涡的变化幅度和涡内化学反应速率的大小有关，而化学反应速率的大小取决于预混气的过量空气系数的大小。同时自激振荡的非线性跟壁面上的复杂的涡运动变化的出现有关。所以本文提出化学动力和涡声的耦合作用是激励预混燃烧自激振荡的重要机制。 在对预混燃烧不稳定性激励机理研究的基础上讨论了燃烧不稳定的控制问题。分析表明，目前燃烧不稳定的被动控制和主动控制方法的实质都是通过影响和改变流场中涡的运动状态而达到对燃烧不稳定的控制。所以根据本文研究的结论，燃烧不稳定的驱动机理是化学动力与涡声耦合作用的，那么就可以在设计阶段改善调节燃烧室内的流动状态和燃料的化学性质，从而减小化学反应和涡的耦合作用，从根本上避免燃烧不稳定的产生。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1研究工作的背景及意义

1.2燃烧的不稳定性及相关问题

1.2.1燃烧室内的热、声学过程

1.2.2燃烧不稳定性机理的研究

1.2.3燃烧不稳定性的控制

1.3国内外燃烧不稳定性研究的历史和现状

1.3.1燃烧不稳定性研究的实验与分析模型的发展

1.3.2计算燃烧学在燃烧不稳定性研究中的应用和发展

1.3.3燃烧不稳定性的控制

1.4本文主要研究工作

1.4.1本文主要思路

1.4.2本文主要内容

参考文献

第二章 预混燃烧自激不稳定性的实验研究

2.1引言

2.2实验系统的组建

2.2.1实验台的描述

2.2.2测量方法

2.2.3实验的分类

2.3实验燃烧系统的稳定特性

2.4火焰动态特性的实验分析

2.4.1稳定燃烧

2.4.2自激振荡燃烧时的火焰运动

2.5本章小结

参考文献

第三章 预混燃烧反应流动态过程的数值计算模型和方法

3.1引言

3.2基本控制方程

3.3湍流模型

3.3.1标准k-ε两方程模型

3.3.2重整化群(RNG)k-ε模型

3.3.3在近壁区使用k-ε模型的壁面函数法

3.4可压流动模型

3.5湍流预混燃烧模型

3.5.1涡耗散模型(EDM)

3.5.2有限速率/涡耗散模型(FR/EDM)

3.5.3多步化学反应模型

3.6计算区域的离散

3.6.1贴体坐标系

3.6.2网格类型和网格质量

3.7物理量的离散

3.7.1控制方程的离散

3.7.2差分格式

3.7.3有限体积法的离散方程

3.8边界条件的处理

3.9流场数值算法

3.9.1求解耦合问题的SIMPLE算法

3.9.2亚松驰技术

3.9.3收敛判据

3.10本章小结

参考文献

第四章 预混燃烧自激振荡的数值模拟与实验验证

4.1引言

4.2实验燃烧器的几何建模及网格划分

4.2.1几何建模

4.2.2网格划分

4.3模拟计算条件

4.4冷流定常计算结果及分析

4.5燃烧反应流定常计算结果验证及分析

4.6燃烧反应流非定常计算结果验证及分析

4.6.1自激振荡过程的火焰动态特性

4.6.2自激振荡过程流动参数的变化

4.7本章小结

参考文献

第五章 预混燃烧动态过程不稳定特性的数值分析

5.1引言

5.2数值模拟工况

5.3预混燃烧过程特征参数振荡特性的数值结果与分析

5.3.1压力振荡特性

5.3.2温度振荡特性

5.3.3化学反应率振荡特性

5.3.4过量空气系数对燃烧不稳定特性的影响

5.4预混燃烧过程火焰动态特性的数值分析

5.5不稳定燃烧过程的混沌分析

5.5.1混沌理论

5.5.2燃烧过程的混沌特性

5.6本章小结

参考文献

第六章 预混燃烧自激不稳定性激励机制的研究

6.1引言

6.2不稳定燃烧过程的热声学特性分析

6.2.1热声振荡过程的理论分析

6.2.2数值研究结果分析

6.3涡声作用下的燃烧不稳定性分析

6.3.1涡声作用的理论分析

6.3.2数值研究结果分析

6.4燃烧不稳定控制的探讨

6.5本章小结

参考文献

第七章 结论与展望

7.1本文主要工作和结论

7.2对今后工作的展望

作者在攻读博士学位期间发表的论文

致谢