燃气轮机真实环形燃烧室大涡模拟

摘要

本文针对真实燃气轮机环形燃烧室的燃烧雾化等过程，使用大涡数值模拟的方法进行非定常计算。求解流体的笛卡尔坐标系三维求解器对于可压缩的Navier-Stokes输运方程进行求解来捕获热声振荡和燃烧诱导的不稳定性。对于真实燃烧室复杂的几何结构采用非结构化的网格。在时间和空间上二阶精度的数值模拟策略被用来加速计算过程和强化数值稳定性。通过高性能的服务器，使用MPI并行运算技术进行并行计算。单方程动网格模型求解亚网格能量输运方程，同时对于双向耦合的两相流喷雾流动提供了一个亚网格速度尺度，在求解的大尺度涡旋模拟亚网格尺度效应。通过扩展的涡扩散模型来模拟亚网格燃烧的过程。欧拉一拉格朗日的方法被用来模拟两项喷雾流动，喷雾粒子通过一个双向耦合的拉格朗日方法被追踪，喷雾二次破碎和蒸发过程也包含其中。
　　提出的方法被应用到模拟真实多燃烧器环形燃气轮机燃烧室中模拟燃烧喷雾的流动过程。计算域的进口流动边界从上游压气机出口到出口边界下游的高压涡轮进口。出口边界条件采用波动对流输运出口边界。计算域是由包括了一个扩压器，一个双旋流旋流器，两排初级和二次空气进气孔和空气冷却孔组成的独立部分。
　　本研究的目的是证明所提出的计算方法可以应用于研究真实燃烧室的复杂流动过程和燃烧的动态特性。研究预测了速度，温度，压力，燃料和氧气浓度等的瞬态和时均场。通过计算的涡旋和频谱分析对漩涡结构进行了研究。预测的结果很好的再现了流动，喷雾和燃烧的动态过程，同时捕捉到所研究燃烧室的主要特征，比如旋进涡核PVC和燃烧诱导的火焰不稳定性。当前的研究显示了燃烧室内部压力震荡的两个主要频率。一个主要频率是关于通过旋流器旋进涡核产生的并随着流动和下游来流湍流冲击逐渐消失了。另外一个主要频率是火焰燃烧诱导的不稳定性产生的，这种燃烧震荡的不稳定性分布于燃烧室内部的每个区域。模拟过程能量谱耗散符合湍流惯性副区-5/3定律。最后，预测的出口温度和实验数据进行了对比，吻合的比较好，验证了模拟的准确性。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及内容

1．1．1 燃烧室研究背景

1．1．2 燃烧室数值研究内容

1．1．3 大涡模拟研究难点

1．2 燃烧室数值模拟国内研究现状

1．3 燃烧室数值模拟国外研究现状

1．4 研究现状分析

1．5 论文介绍

2 数学模型

2．1 控制方程

2．1．1 经过空间滤波的NS输运控制方程组

2．1．2 亚网格尺度SGS湍流模型

2．1．3 喷雾两相流模型

2．1．4 SGS燃烧模型

2．2 数值方法

2．3 源程序介绍

2．3．1 求解器介绍

2．3．1 关键参数设置

2．4 本章小结

3 真实燃气轮机燃烧室大涡模拟

3．1 问题描述

3．1．1 燃烧室结构介绍

3．1．2 燃烧室各结构工作过程

3．2 计算网格及边界条件

3．2．1 计算域网格

3．2．2 计算边界条件

3．3 本章小结

4 计算结果分析

4．1 燃烧室内时均和瞬态流场

4．1．1 速度场

4．1．2 温度和压力场

4．1．3 物质质量分数场

4．2 旋进涡核

4．2．1 旋进涡核产生机理

4．2．1 旋进涡核的表示

4．3 频谱分析

4．3．1 压力信号取样

4．3．2 压力信号FFT变换

4．4 湍动能谱分析

4．5 出口温度场实验对比

4．6 本章小结

5 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢