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基于化学反应器网络方法的燃气轮机燃烧室NOx排放研究

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中国电机工程学报 2023年第12期43卷 4657-4668页

作者：耿俊杰田园孙逸凡祁海鹰热科学及动力工程教育部重点实验室(清华大学) 北京市海淀区100084

为准确预测某重型燃气轮机燃烧室NO_(x)排放浓度并确定其内部各燃烧区的“贡献”,探明此类低排放燃烧室的设计准则,该文基于化学反应器网络(chemical reactor network,CRN)方法,首先通过敏感性分析研究各反应器体积、初始温度、燃料/空... 详细信息

为准确预测某重型燃气轮机燃烧室NO_(x)排放浓度并确定其内部各燃烧区的“贡献”,探明此类低排放燃烧室的设计准则,该文基于化学反应器网络(chemical reactor network,CRN)方法,首先通过敏感性分析研究各反应器体积、初始温度、燃料/空气掺混不均匀度等参数对计算准确性的影响,并分析CRN的负荷适用范围。通过CRN方法研究燃烧室负荷、燃烧模式和掺混孔径对NO_(x)排放的影响。结果表明,该低排放燃烧室中心区是NO_(x)的主要贡献者,其设计准则为:将环形区喷嘴和中心喷嘴按照“等功率”设计;通过计算可得满负荷下的NO_(x)排放低于限值20ppm(@15%O_(2))的掺混孔径为44.45mm。结果可为改进CRN方法的应用、优化低污染燃烧室的设计提供一定依据。

关键词：化学反应器网络敏感性分析干式低污染燃烧室 NO_(x)排放掺混孔径

基于化学反应器网络的航空煤油替代燃料优化方法研究

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基于化学反应器网络的航空煤油替代燃料优化方法研究

作者：李亚清南京航空航天大学

学位级别：硕士

航空煤油是一种成分复杂的混合物,而且不同来源的航空煤油具有成分上的差异,导致对其燃烧性质的实验和数值模拟变得极其困难。在航空发动机燃烧的数值仿真研究时,一般采用替代燃料来模拟真实的航空煤油组分。由于航空煤油的复杂性和替... 详细信息

航空煤油是一种成分复杂的混合物,而且不同来源的航空煤油具有成分上的差异,导致对其燃烧性质的实验和数值模拟变得极其困难。在航空发动机燃烧的数值仿真研究时,一般采用替代燃料来模拟真实的航空煤油组分。由于航空煤油的复杂性和替代燃料模型的不确定性,国内外学者建立的航空煤油替代燃料模型有上百种之多,替代燃料的比例组成也各不相同,采用替代燃料对复杂的航空煤油进行简化替代对航空发动机燃烧的数值模拟具有重要意义。对航空煤油的物化特性进行实验分析后,通常采用CFD方法来确定和验证替代燃料的构成,研究成本高,且无法兼顾计算效率和计算精度。本文提出采用化学反应器网络（CRN）方法,基于射流火焰实验数据来实现燃料构成的优化计算,可以兼顾计算效率和精度。研究内容包含两个方面:液态碳氢燃料射流火焰的CRN构建和基于CRN模型的航空煤油替代燃料的优化方法研究。本文首先针对正十二烷（C12H26）、正癸烷（C10H22）,正庚烷（C7H16）三种碳氢燃料射流火焰进行CFD数值仿真,获得燃料在不同工况下:进口流量0.268g/s～0.343g/s,当量比0.8～1.2,混合气进口温度380K～500K下的温度场等特征;并据此构建射流火焰的CRN分区拓扑结构,利用遗传算法对各个反应器参数进行优化,得出CRN参数和进口参数（无量纲进口温度、雷诺数及混合分数）之间的代数关系;获得在不同的工况下均适用的参数化CRN拓扑结构,构建了碳氢燃料射流火焰的最佳CRN参数化模型。然后对航空煤油替代燃料优化方法展开研究:在实验数据的基础上,应用CRN参数化模型,采用优化方法确定三组元（C12H26、C10H22、C7H16）替代燃料的最佳构成比例。采用实验数据,进行三组元替代燃料的优化计算,获得三组分替代燃料的最佳比例为56.41%的C12H26、26.36%的C10H22和17.23%的C7H16。本文最后对优化出的替代燃料构成进行CFD数值仿真验证,将CFD计算结果与试验结果进行对比,结果表明两者吻合较好,说明本文基于CRN的航空煤油替代燃料优化方法是可行的,这种方法可以应用于航空煤油替代燃料的组分优化研究中。

关键词：碳氢燃料射流火焰化学反应器网络遗传算法替代燃料

燃气轮机燃烧室预混喷嘴排放性能的试验和数值研究

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推进技术 2020年第2期41卷 362-371页

作者：赵玮杰于宗明贺红娟艾育华王岳中国科学院工程热物理研究所北京100190 中国科学院大学北京100049

为了研究当量比、值班燃料量和压力对燃气轮机燃烧室预混喷嘴排放指标的影响,在环境压力下按照等速模化原理进行了燃烧室预混喷嘴的燃烧试验,基于化学反应网络法构建了污染物预测模型,开展了试验和数值对比研究。结果表明:在带值班燃料... 详细信息

为了研究当量比、值班燃料量和压力对燃气轮机燃烧室预混喷嘴排放指标的影响,在环境压力下按照等速模化原理进行了燃烧室预混喷嘴的燃烧试验,基于化学反应网络法构建了污染物预测模型,开展了试验和数值对比研究。结果表明:在带值班燃料的情况下该预混喷嘴当量比φ在0.35~0.5时可满足国标排放要求,但是值班燃料量增大会使NOx排放升高;在φ0.4时,NOx会随压力升高而增多;带有值班燃料的预混燃烧时,NOx对压力变化敏感,压力升高导致NOx增多;该预混喷嘴混合性能对空气流速不敏感、燃料兼容性强,排放达标当量比范围宽,经进一步设计开发后有潜力应用于燃气轮机低排放燃烧室中。该化学反应器网络模型依赖经验较少,当值班燃料比例≤0.17时,对污染物预测与试验数据符合较好。

关键词：低排放燃烧室预混燃烧化学反应器网络燃气轮机

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氨/二甲醚燃料分级燃烧的排放特性

力学学报 2023年第12期55卷 2741-2749页

作者：余鸣宇罗光前姚洪华中科技大学煤燃烧国家重点实验室武汉430074

由于本身含氮和氨的燃烧过程会造成高额燃料型NO_(x)排放,为了减少氨燃料利用过程释放的NO_(x),本研究采用燃料分级燃烧技术进行氨/二甲醚燃烧,通过实验探究了燃料分级方法对污染物排放特性的影响.研究发现燃料分级方法能够降低NO和NO_... 详细信息

由于本身含氮和氨的燃烧过程会造成高额燃料型NO_(x)排放,为了减少氨燃料利用过程释放的NO_(x),本研究采用燃料分级燃烧技术进行氨/二甲醚燃烧,通过实验探究了燃料分级方法对污染物排放特性的影响.研究发现燃料分级方法能够降低NO和NO_(2)的排放浓度,最高使得NO减少60.1%,NO_(2)减少88.7%.在进行单级燃烧时NH_(3)几乎被完全消耗,采用燃料分级方法后则会造成NH3排放,其浓度随二级氨注入量增多而增大,而NO浓度则随二级氨注入量增多而减小,当热功率为0.6 kW、局部当量比为0.85时,NH3和NO排放浓度达到3×10^(−3)左右的相同水平.实验结果表明燃料分级燃烧方式在降氮方面有良好应用前景.为了进一步了解污染物NO在分级燃烧过程中的生成和消耗特性,本研究建立了一种化学反应器网络(CRN)模型,在Chemkin软件中对本实验测试工况下的燃烧过程进行了模拟.结果表明,数值模拟准确预测了NO的排放数值,验证了CRN计算方法的准确性.敏感性分析表明二甲醚具有比常规碳氢燃料更强的活化作用,对NO生成具有显著的促进作用.产率分析表明,NO在一级燃烧区主要通过HNO路径生成,在二级反应区主要通过NH2+NO=N2+H2O和NH2+NO=NNH+OH反应被消耗.

关键词：氨二甲醚 NO_(x) 燃料分级燃烧化学反应器网络

燃烧室内气体燃料燃烧流场的数值预测技术研究

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燃烧室内气体燃料燃烧流场的数值预测技术研究

作者：曹天泽哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

燃气轮机是常用的舰船动力装备。燃烧室的性能直接决定整台机组的性能参数，故燃烧室的合理设计尤为重要。传统的燃烧室设计主要是靠经验和半经验公式，研制周期长。故本文讨论了一种新型的燃烧室快速设计方法。本文以甲烷为燃料，利用... 详细信息

燃气轮机是常用的舰船动力装备。燃烧室的性能直接决定整台机组的性能参数，故燃烧室的合理设计尤为重要。传统的燃烧室设计主要是靠经验和半经验公式，研制周期长。故本文讨论了一种新型的燃烧室快速设计方法。本文以甲烷为燃料，利用Chemkin软件运用微元法获得燃烧室一维特征长度，利用Fluent软件进行燃烧室简化燃烧室性拓展设计，并在此基础上进行三维全尺寸校核。对最终设计的最佳燃烧室利用Chemkin软件分析其出口NOx排放情况。在利用Fluent进行燃烧室三维数值计算时，采用Realizablek ε双方程湍流模型，快速反应简化PDF燃烧模型，对控制方程采用迎风的差分格式进行离散，壁面处理采用标准壁面函数法，采用SIMPLE算法求解离散方程。在Chemkin计算的过程中，先构建燃烧室的初步化学反应器网络并以此确定最佳空气配比，再引入一种燃烧室一维长度校核方法-微元法，得到火焰筒的有效反应长度。根据Chemkin得到的一维特征长度参数，并对全尺寸的回流式环管型燃烧室简化成回转体形式，取火焰筒一部分进行模拟，最终得到燃烧室全尺寸设计所需要的数据，根据确定的燃烧室特征尺寸建立燃烧室模型。利用Fluent软件，基于火焰筒壁面绝热的计算工况，对燃烧室的性能进行分析。运用Chemkin针对最终设计的燃烧室的流场构建详细的化学反应器网络，确定其最终的出口污染物排放值。另外，文中还针对各种湍流模型进行了分析对比，发现不同的湍流模型各自模拟的优缺点。计算结果表明：使用Chemkin软件进行一维计算，CFD软件三维校核燃烧室在燃烧甲烷时，燃烧室流场组织以及各参数分布较为合理。在四种湍流模型的数值模拟及对比分析中发现，可实现模型在出口温度不均匀度、流域最高温度和燃烧室头部及壁温冷却情况都是最好的。总体来看本设计基本符合设计要求，故认为这种新型的设计方案有一定的可行性。

关键词：燃烧室一维设计简化燃烧室拓展设计全尺寸校核化学反应器网络

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液体燃料燃烧流场的数值预测技术研究

液体燃料燃烧流场的数值预测技术研究

作者：何悟哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

燃烧室的工作情况直接决定涡轮进口参数和整台机组的性能参数,故燃烧室的合理设计尤为重要。然而传统的燃烧室设计主要是靠经验和半经验公式的方法，不仅研究周期长,而且成本较高，故本文研究讨论了一种新型的燃烧液体燃料的燃烧室快速... 详细信息

燃烧室的工作情况直接决定涡轮进口参数和整台机组的性能参数,故燃烧室的合理设计尤为重要。然而传统的燃烧室设计主要是靠经验和半经验公式的方法，不仅研究周期长,而且成本较高，故本文研究讨论了一种新型的燃烧液体燃料的燃烧室快速设计方法，为燃气轮机燃烧室的设计提供了一种新的思路。本文首先利用Chemkin软件进行燃烧室一维特征长度计算，再利用Fluent软件进行燃烧室三维周期性拓展设计，并在此基础上进行三维全尺寸校核。并且利用Chemkin软件对最终设计的燃烧室出口NOx排放情况进行分析。在利用Fluent进行燃烧室三维数值计算时，采用Realizablek ε双方程湍流模型，快速反应简化PDF燃烧模型，采用颗粒群轨道模型来描述液相油滴的运动轨迹和变化历程。对控制方程采用迎风的差分格式进行离散，壁面处理采用标准壁面函数法;采用SIMPLE算法求解离散方程。本文利用Chemkin软件进行一维设计时，先构建了液体燃料燃烧室的初步化学反应器网络并以此确定最佳空气配比，然后再借助微元法最终得到火焰筒的有效反应长度。在进行燃烧室的三维周期性拓展设计时，根据Chemkin得到的一维特征长度参数，并对全尺寸的回流式环管型燃烧室进行周期对称简化，在只取一个火焰筒进行模拟的前提下，再对其取十分之一进行模拟，最终得到燃烧室全尺寸设计所需要的数据。最后在进行三维全尺寸校核时，根据之前计算得到的燃烧室特征参数，建立了全尺寸的燃烧室模型。然后运用Fluent软件，基于火焰筒壁面绝热的计算工况，对燃烧室的性能进行分析。最后再利用Chemkin针对最终设计的燃烧室的流场构建详细的化学反应器网络，算出其准确的出口NOx排放。另外，文中还针对各种湍流燃烧模型进行了分析对比，发现不同的湍流燃烧模型各自模拟的优缺点。本文整个研究过程表明，双级旋流器采用反向旋流，两级旋流角均为45度的情况燃烧效果更好;当两级旋流器面积比为1.49：1时，回流区边界要较小较短一些，然而对本燃烧室燃烧更有利;在湍流燃烧模型的对比中发现，ED与EDC模型均过高的估计流域的最高温度，而PDF与SFM模型模拟效果更好，不过由于SFM模型反应机理复杂，故本文均选用PDF燃烧模型模拟。本文的设计思路对于以后的燃烧室模拟具有一定的借鉴意义。

关键词：燃烧室一维设计三维周期拓展设计全尺寸校核化学反应器网络

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双级旋流器燃烧室点火及熄火特性研究

双级旋流器燃烧室点火及熄火特性研究

作者：李承钰西北工业大学

学位级别：硕士

在航空发动机燃烧室中,存在着非常复杂的物理和化学变化,需要燃油和气流相互配合,由于目前较多的航空发动机采用贫油燃烧模式,使得燃烧室内部的点火及稳定燃烧环境更加恶劣。因此对燃烧室的点火性能以及燃烧稳定性提出了更高的要求,在... 详细信息

在航空发动机燃烧室中,存在着非常复杂的物理和化学变化,需要燃油和气流相互配合,由于目前较多的航空发动机采用贫油燃烧模式,使得燃烧室内部的点火及稳定燃烧环境更加恶劣。因此对燃烧室的点火性能以及燃烧稳定性提出了更高的要求,在这种情况下,对燃烧室点火及熄火特性进行研究具有十分重要的意义。本文对双级旋流器燃烧室点火及熄火特性进行三维数值仿真计算,对燃烧室的贫油点、熄火性能以及点火过程进行了一系列的分析,主要研究内容有以下三个方面:(1)针对单管型双级旋流器燃烧室简化模型,通过燃油稳态逐次逼近的方法,对燃烧室在不同的火焰筒压降、进口空气温度工况下的点火边界进行预估,并根据计算结果,提出适用于本文所用燃烧室的点火边界经验公式。同时采用Chemkin pro软件,对多步化学反应机理的敏感性进行分析,研究了不同当量比、温度、压力和活性基团的浓度变化对点火延迟时间以及火焰传播速度的影响。(2)采用混合网格算法对双级旋流器燃烧室的点火过程进行了LES计算,分析了点火之前的流场变化,燃油分布的变化以及点火过程中不同阶段的火焰轨迹和发展规律。在此基础上研究了火焰筒压降、点火位置和初始火核尺寸变化对于点火过程中火焰传播的影响,分析了燃烧室内的温度分布特性。通过对点火过程进行分析,将点火过程中的火焰传播和发展分为3个阶段,阶段1为火核不稳定扩散的初期阶段,此阶段为燃烧室点火过程中最重要的时期,火焰能否进入回流区关系到火焰能否稳定和点火是否成功;阶段2为火焰在火焰筒头部和回流区内发展的过程,此阶段主要为火焰在回流区内积累能量的时期;阶段3为火焰从火焰筒头部向整个主燃区以及下游传播的过程,这是火焰在主燃区快速传播的过程,有判断燃烧室点火成功的明显现象。(3)采用燃油稳态逐次逼近的方法对双级旋流器燃烧室的贫油熄火极限和熄火过程进行数值计算,分析了慢车工况下的贫油熄火过程以及不同进口空气温度、流量和不同值班级叶片安装角度下的燃烧室贫油熄火性能的变化,提出了适用于本燃烧室贫油熄火极限的经验关系式。

关键词：燃烧室点火特性熄火特性大涡模拟化学反应器网络

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湍流脉动性能对短环形燃烧室燃烧流场的影响

湍流脉动性能对短环形燃烧室燃烧流场的影响

作者：汤忠滨哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

燃气轮机技术的发展对燃烧室提出了更高的要求，容积热负荷越来越高，长度尺寸减小，工作环境愈加恶劣。燃气轮机燃烧室的燃烧流场通常处于高雷诺数的湍流流动状态。旋流器作为其主要部件之一，其结构变化会引起下游流场的湍流脉动性能... 详细信息

燃气轮机技术的发展对燃烧室提出了更高的要求，容积热负荷越来越高，长度尺寸减小，工作环境愈加恶劣。燃气轮机燃烧室的燃烧流场通常处于高雷诺数的湍流流动状态。旋流器作为其主要部件之一，其结构变化会引起下游流场的湍流脉动性能的变化，进而影响燃烧室的整体工作性能。因此，研究湍流脉动性能对燃烧流场的影响有着重要的意义。本文针对某型航空燃气轮机短环形燃烧室进行了三维物理模型的建立，通过对其主要组成部件的结构优化改进，研究讨论了该型燃烧室在容积热负荷增加的工况下的工作特性，得到了良好的设计结果，为燃气轮机短环形燃烧室的设计提供了参考和借鉴。本文首先依据燃烧流场的特点，利用CKEMKIN软件构建了燃料燃烧室的初步化学反应器网络并以此确定最佳空气配比，再利用微元法得出各个反应区的体积以确保火焰筒内可以提供足够的反应空间。取整体燃烧室的二十分之一作为研究对象，根据燃烧室的尺寸限制要求建立了其三维物理模型，其中扩压器采用短突扩扩压器，旋流器选用双级斜切径向旋流器。在容积热负荷增加的工况下，利用Fluent软件对燃烧室进行数值模拟，得到了初始模型热态流场的特点并在此基础上进行结构改进和优化。本文主要针对旋流器的工作性能展开了细致的研究，考察了其在不同结构尺寸下的对燃烧流场的影响。在利用Fluent进行燃烧室三维数值计算时，采用Realizablek双方程湍流模型，EDC燃烧模型，CONE喷嘴来模拟喷油雾化的过程。采用颗粒群轨道模型来描述液相油滴的运动轨迹和变化历程。对控制方程采用迎风的差分格式进行离散，壁面处理采用标准壁面函数法;采用SIMPLE算法求解离散方程。本文整个研究过程表明，旋流器的结构变化会引起主燃区湍动能、湍流强度等性能以及主回流区尺寸的变化，对燃烧室的性能有较大的影响。得出双级斜切径向旋流器采用同向旋流，一级斜切孔切角为60°、孔数为8个、孔径为5mm，二级旋流叶片宽度为6.5mm、叶片数为10个、安装角为70°的情况燃烧效果更好。本文得出的工作结论对于以后的燃烧室设计和模拟具有一定的借鉴意义。

关键词：燃烧室斜切径向旋流器 CHENKIN 化学反应器网络

基于CRN的加力燃烧室燃烧性能及点熄火极限预测模型研究

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基于CRN的加力燃烧室燃烧性能及点熄火极限预测模型研究

作者：邓子江南京航空航天大学

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现代航空发动机加力燃烧室在追求高性能的同时也面临着进气速度快、来流氧气含量低等问题,这对点火与火焰稳定是一大挑战。因此,对加力燃烧室的燃烧性能及点熄火性能进行研究具有重要意义。常用的研究燃烧室燃烧性能方法为试验研究和数... 详细信息

现代航空发动机加力燃烧室在追求高性能的同时也面临着进气速度快、来流氧气含量低等问题,这对点火与火焰稳定是一大挑战。因此,对加力燃烧室的燃烧性能及点熄火性能进行研究具有重要意义。常用的研究燃烧室燃烧性能方法为试验研究和数值模拟,但是前者研究成本高且试验周期长,后者对计算机配置要求较高且计算时间长。化学反应器网络(CRN)方法是一种长期以来用于评估燃烧室燃烧性能的方法,通过将燃烧室的流动反应体系进行简化而大大提高了计算效率。因此本文将应用CRN方法对加力燃烧室的燃烧性能及点熄火性能进行预测。本文选择三种具有代表性的模型加力燃烧室进行研究,具体研究内容如下:1)选择结构较为典型的蒸发槽加力燃烧室、驻涡燃烧室和凹腔支板燃烧室作为研究对象,通过数值模拟的方法对燃烧室的冷态流场及热态流场进行分析。根据流场结构、温度场及组分场等特征参数分布特点,建立各自的化学反应器网络拓扑结构,并在此基础上归纳得到一套针对加力燃烧室的化学反应器网络拓扑结构划分方法。根据Da数选择合适的理想反应器模型模拟各个区域,建立通用的CRN模型。2)在实验数据的基础上,分析了试验研究过程与CRN预测过程之间的异同,给出了分流系数和反应器体积修正系数的概念。前者通过数值模拟结果统计得到,后者用于修正采用体积对燃烧室进行定量划分带来的计算误差。在此基础上,建立了参数化的燃烧性能CRN预测模型。对蒸发槽加力燃烧室和驻涡燃烧室的燃烧性能进行了预测,预测结果均较好。3)通过分析点火的基本过程,根据点火过程中点火能量、电极距离等对火团的影响,建立了点火器模型。考虑到点火与熄火过程中燃烧室初始温度、供油参数对燃油蒸发雾化的影响,给出了燃油蒸发雾化效率修正系数。该参数物理上试图影响PSR中的燃油蒸发的质量,即只有部分燃油作为化学反应中的燃料,而不是所有喷入的燃料作为反应物。这样导致在下限时,雾化差,油气更贫,从而影响化学反应。然而在熄火过程中,燃烧室从高温状态逐渐向低温状态过渡,燃油的蒸发效率高于点火时的蒸发效率,因此需要重新进行修正。在此基础上,对模型加力燃烧室的点火极限及熄火极限进行预测,预测误差均在允许范围内,说明所建立的预测模型具有一定的可靠性。综上所述,本文选取了三种结构较为典型的模型加力燃烧室作为研究对象,通过数值模拟和CRN模型相结合的方法,建立了参数化CRN模型和点熄火性能预测模型,分别对燃烧室的燃烧室性能及点熄火极限进行预测。预测结果与实验结果吻合较好,说明本文建立的模型能够对加力燃烧室的设计提供参考。

关键词：加力燃烧室化学反应器网络点熄火极限预测燃烧性能预测