微型燃气轮机环形燃烧室的数值模拟与研究

摘要

我国广大农村拥有十分丰富的生物质能源。开发能高效、清洁地利用生物质能的新型装置，普及生物质能利用已成为现代农村可持续发展的必由之路。基于生物质气的冷热电联供系统非常适合我国分散式、小规模生物质能的高效利用，产业化前景广阔。同时，该项目的实施可有效改善农村用能结构，解决局部环境污染等问题，对于建设资源节约型、生态环保型社会将起着重要而积极的作用。微型燃气轮机发电机组是分布式冷热电联供系统的主要动力装备。燃烧室作为燃气轮机的重要部件之一，其性能对燃气轮机的效率、稳定性、燃料适应性和排放具有重大影响。对燃烧室内部的流动和燃烧过程进行深入研究，有助于更好地组织燃烧过程,优化燃烧室结构，实现高效超低排放燃烧。
　　首先，基于Capstone C65微型燃气轮机的真实结构，利用三维造型软件UG NX建立了燃烧室全尺寸三维模型。并利用商业CFD分析软件Fluent分析了启动工况和满负荷工况下冷态流场和贫燃天然气预混燃烧的过程，得到了燃烧室的流动特性和NOx排放特性。
　　其次，研究了不同成分的生物质气在该燃烧室内预混燃烧的特性，得到了相同燃烧温度下不同成分的生物质气所需流量，给出了燃烧室内温度分布场和NOx排放，并与天然气贫燃预混燃烧性能进行对比，并提出了燃烧不同生物质气燃烧室的优化方案。
　　最后，本文介绍了催化燃烧在燃气轮机燃烧室中的应用，并针对催化剂活性成分在高温下易烧结、失活的情况，提出用高导热材料填充陶瓷载体，以提高载体的导热性能，及时除去反应热。引入格子 Boltzmann方法，构造了单元几何物理模型，从微观传热的尺度研究计算了填充物的几何形状与导热系数比对复合材料导热性能的影响。
　　综上所述，本文对微型燃气轮机燃烧室多燃料燃烧与排放过程进行了数值模拟，重点是研究燃料成分、热值波动对燃烧稳定性的影响，并研究了提高催化燃烧室内催化剂载体导热性能的方法及其影响因素，为实现多种燃料的高效、稳定燃烧，提高微型燃气轮机对燃料的适应性及排放性能打下了研究基础。

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第一章 绪论

1.1研究背景

1.2国内外研究现状

1.3燃气轮机燃烧室结构

1.4本文主要工作

第二章 燃烧室数值模拟的数值模型与理论方法

2.1数学物理模型

第三章 环形燃烧室的建模与性能分析

3.1燃烧室模型

3.2环形燃烧室的几何模型

3.3计算网格划分与边界条件

3.4计算模型

3.5冷态数值模拟结果与分析

3.6启动工况性能分析

3.7满负荷工况热态模拟结果与分析

3.8本章小结

第四章 生物质气燃烧性能分析

4.1对燃烧室流量的影响

4.2对温度场的影响

4.3对NOx生成的影响

4.4对燃烧室的改型建议

4.5本章小结

第五章 催化燃烧在微型燃气轮机燃烧室的研究与应用

5.1催化燃烧技术在燃烧生物质气的燃烧室中的应用

5.2催化剂陶瓷基复合材料载体导热性能的数值研究

5.3本章小结

第六章 总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

致谢

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