加湿旋流扩散燃烧火焰的实验研究及大涡模拟

摘要

加湿燃烧是湿空气透平(HAT)循环和注蒸汽燃气轮机(STIG)循环的一个主要特征,也是整体煤气化联合循环(IGCC-IntegratedGasification Combined Cycle)降低污染物排放的一种燃烧方式。燃烧室采用高湿度燃烧后,燃烧反应过程的变得更加复杂,燃烧火焰的结构特性将发生改变,容易产生燃烧效率降低以及碳氢化合物未燃尽等问题。为了使得STIG循环、HAT循环和IGCC循环能够推广应用,加湿燃烧是必须攻克的关键技术之一。
　　 为掌握加湿空气旋流扩散燃烧流场的变化规律,本文通过实验和数值模拟方法对湿空气/甲烷旋流扩散燃烧流场进行了研究。研究中,建立了加湿旋流扩散燃烧实验台,对加湿、不加湿状态下的旋流扩散燃烧流场进行了测量研究(实验所用的燃烧喷嘴分别为:同轴射流单孔式喷嘴和环型多孔式喷嘴)。
　　 首先,本文利用激光粒子图像速度仪(Particle Image Velocimetry,PIV)和高温热电偶对加湿、不加湿中心扩锥单孔喷嘴旋流扩散燃烧流场进行了实验研究,结果表明:加湿、不加湿燃烧流场总部相似,在回流区范围内都有两对对旋的漩涡(内部涡-燃料涡,外部涡-空气涡)沿着燃烧器轴线对称分布。随着燃空速度比由小到大逐渐增加,空气涡与燃料涡的大小位置都发生改变,流场中都会产生三种特征火焰(回流燃烧火焰,中心射流主导火焰和射流型燃烧火焰)。对比加湿、不加湿流场可知,中心扩锥单孔喷嘴旋流扩散火焰中湿度增加后:
　　 回流燃烧火焰转化为中心射流主导火焰的临界值降低。
　　 回流区内径向平均速度和脉动速度的最大值降低,空气涡与喷嘴表面的距离减小；轴向平均速度、湍动能的中心峰值增大；切向雷诺应力、径向脉动速度的波峰/谷值减小。
　　 流场中的最高温度降低,但燃烧流场温度分布的均匀性提高。
　　 其次,本文利用PIV对加湿、不加湿环型多孔式喷嘴旋流扩散燃烧流场也进行了测量与研究。多孔式喷嘴多孔式喷嘴是燃气轮机燃烧室中最常用的一种燃气喷嘴,但对加湿情况下多孔式喷嘴的流动特性还鲜有研究。本文通过实验发现,多孔式喷嘴旋流扩散燃烧流场中湿度增加后:火焰明显变暗,火焰宽度和高度增大；回流区漩涡与燃烧器出口和喷嘴轴线间的距离减小；径向平均速度、径向脉动速度和切向雷诺应力的峰/谷值降低；湍动能最大值和轴线上最大回流速度降低；轴线最大回流速度点与喷嘴的距离增加,逆流区宽度和轴向平均速度轴侧峰值间的距离减小；燃烧器旋转射流扩展角减小,流场轴向出口不均匀系数增大。
　　 最后,为进一步了解加湿对燃烧流场的影响,本文采用大涡模拟和RANS模拟(RNG k-ε模拟,RSM模拟)方法数值分析了不同加湿量下(水蒸气的质量分数分别为0％,10％,20％)单孔喷嘴旋流扩散燃烧流场,并与实验结果进行了对比分析,结果发现:大涡模拟的计算结果与实验吻合,其精度要高于RANS模拟；水蒸气的加入严重影响燃烧火焰的温度场和浓度场,火焰的高温区的范围也随之缩小；燃烧主要组分CH4、O2、H2O、CO2和CO的分布受含湿量的影响明显,次要组分OH和O均随含湿量的增大而降低。
　　 综上所述,与常规燃烧相比,加湿旋流燃烧的火焰结构以及影响火焰结构的参数规律都将发生改变。因此在设计中,不能简单沿用常规燃烧器的设计标准,而需要根据湿空气燃烧火焰特征进行有针对性的设计才能满足实际的工程要求。

目录

文摘

英文文摘

上海交通大学学位论文答辩决议书

符号说明

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究现状和进展

1.2.1 加湿燃烧的研究现状

1.2.2 旋流燃烧研究历程及现状

1.3 本文研究的目标和主要工作

1.3.1 本文研究的目标和意义

1.3.2 本文的主要研究工作

第二章 加湿旋流扩散燃烧实验系统及研究方法

2.1 实验装置

2.1.1 实验台的总体设计

2.1.2 实验台各子系统

2.2 温度测量系统

2.3 速度测量系统

2.3.1 PIV系统的工作原理和配置

2.3.2 PIV系统的标定

2.3.3 PIV系统示踪粒子的选择及分析

2.3.4 PIV系统时间参数的设定

2.3.5 实验数据处理

2.3.6 实验测量误差分析

2.4 本章小节

第三章 单孔喷嘴旋流扩散燃烧实验研究

3.1 中心扩锥旋流扩散燃烧流场实验研究

3.1.1 实验对象及测量工况

3.1.2 PIV测量系统设置

3.1.3 中心扩锥旋流等温流场的实验研究

3.1.4 中心扩锥旋流燃烧火焰速度场实验结果分析

3.1.5 中心扩锥旋流燃烧火焰温度场实验结果及分析

3.2 钝体、旋流在火焰稳定中的作用及相互影响

3.2.1 实验对象及测量工况

3.2.2 实验结果与分析

3.3 本章小结

第四章 多孔喷嘴旋流扩散燃烧流场实验研究

4.1 实验对象及测量工况

4.2 多孔式喷嘴旋流燃烧火焰速度场实验结果及分析

4.2.1 燃料速度变化对多孔式喷嘴旋流燃烧火焰的影响

4.2.2 空气速度变化对多孔式喷嘴旋流燃烧火焰的影响

4.3 本章小结

第五章 加湿空气旋流扩散燃烧流场实验研究

5.1 单孔式喷嘴加湿旋流扩散燃烧流场实验研究

5.1.1 实验对象及测量工况

5.1.2 中心扩锥旋流加湿燃烧火焰速度场实验结果及分析

5.1.3 中心扩锥旋流加湿燃烧火焰温度场实验结果及分析

5.2 多孔式喷嘴加湿旋流燃烧火焰速度场实验结果及分析

5.2.1 实验对象及测量工况

5.2.2 多孔喷嘴加湿旋流燃烧火焰速度场实验结果及分析

5.3.小结

第六章 加湿空气旋流扩散燃烧流场的大涡模拟

6.1 加湿空气旋流扩散燃烧大涡模拟数学模型、计算模型和边界条件

6.1.1.LES控制方程和亚网格湍流模型

6.1.2 亚网格燃烧模型

6.1.3 化学反应机理

6.1.4 燃烧区域几何模型

6.1.5 网格划分

6.1.6 边界条件和算法

6.2 加湿空气旋流扩散燃烧RANS数值模拟计算模型和边界条件

6.3 数值模拟结果与实验对比

6.4 空气加湿对中心扩锥单孔喷嘴旋流扩散燃烧火焰的影响

6.4.1 速度场

6.4.2 温度场

6.4.3 浓度场

6.5 本章小结

第七章 结论与研究展望

7.1 结论

7.2 本文的创新点

7.3 燃烧室加湿改型的若干建议

7.4 研究展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文目录

攻读博士学位期间获得的奖励

致谢