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内燃机学报 2022年第1期40卷 1-9页

作者：叶映吴朝晖刘海峰董晶瑾李敬瑞尧命发天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室天津300350 上海中船动力研究院有限公司上海200131

基于计算流体力学平台CONVERGE以及MATLAB后处理程序,通过数值仿真的方法,研究了船用柴油-天然气双燃料发动机预燃室内外的着火燃烧过程和火焰发展机制.此外,研究了双燃料发动机有害污染物氮氧化物(NO_(x))和碳氢(HC)生成及迁移过程.结... 详细信息

基于计算流体力学平台CONVERGE以及MATLAB后处理程序,通过数值仿真的方法,研究了船用柴油-天然气双燃料发动机预燃室内外的着火燃烧过程和火焰发展机制.此外,研究了双燃料发动机有害污染物氮氧化物(NO_(x))和碳氢(HC)生成及迁移过程.结果表明:整个燃烧过程分为三个阶段,首先,在预燃室内的流动和进气作用下,近通孔处的油束率先着火;随后预燃室内燃烧并产生射流火焰,射流火焰包含部分未燃燃料和燃烧中间产物,在进入主燃烧室初期火焰内部存在剧烈的预混燃烧;随着射流火焰进一步发展,反应区集中在火焰表面,开始出现火焰传播特征.燃烧过程中NO_(x)的高浓区都在预燃室内部,表明NO_(x)主要在预燃室内生成,受射流作用向主燃烧室迁移,而HC残留区域在主燃烧室内靠近射流火焰碰壁处.

关键词：低速船机双燃料射流火焰燃烧过程污染物生成机理

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甲烷/空气机理简化及燃烧室污染物空间分布

甲烷/空气机理简化及燃烧室污染物空间分布

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作者：孙继昊哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

随着人们环保意识的不断增强,对燃气轮机污染物的排放有着日益严格的要求,如何实现燃气轮机低污染排放成为学术界及工业界亟需解决的重大问题。数值模拟作为燃烧室设计过程中的有力工具,其计算精度直接取决于所选取的反应机理。由于详... 详细信息

随着人们环保意识的不断增强,对燃气轮机污染物的排放有着日益严格的要求,如何实现燃气轮机低污染排放成为学术界及工业界亟需解决的重大问题。数值模拟作为燃烧室设计过程中的有力工具,其计算精度直接取决于所选取的反应机理。由于详细机理的大计算量及“刚性”问题往往限制了其在数值模拟中的应用,发展一套适用于燃烧室数值模拟的简化机理十分重要。虽然以往的工作者开发了许多甲烷燃烧简化机理,但往往对工况的针对性较强或不含氮化学,不适用于燃烧室宽工况范围内的数值模拟工作。因此发展一套宽工况范围内适用的简化机理,并基于该简化机理明确燃烧室内污染物生成机理及空间分布,针对性的提出降低排放的措施有着重要的工程意义。本文以某模型燃烧室为研究对象,发展了一套适用于燃气轮机燃烧室工况的甲烷/空气含氮燃烧简化机理,进而对模型燃烧室内污染物生成机理及空间分布进行了相关研究,并相应地提出污染物控制策略,具体工作如下:(1)针对数值模拟过程中机理选择所带来的计算精度及计算消耗的平衡问题,以甲烷详细反应动力学机理GRI-Mech 3.0为研究对象,利用直接关系图法及敏感性分析方法对其进行了简化,简化过程中考虑点火延迟时间、CO及NO污染物浓度三个参数,最终得到一套含有29种组分、74步基元反应的甲烷/空气含氮燃烧的简化机理。进而对简化机理进行0维、1维理想反应器计算验证,结果表明所得简化机理在宽工况范围内同详细机理吻合良好,适用于燃烧室燃烧过程及污染物生成过程的数值模拟工作。(2)以Sandia Flame D及某工业燃气轮机燃烧室为计算验证对象,基于所得74步反应机理对其燃烧过程及污染物生成特性进行了数值模拟工作,分析了所得简化机理在数值模拟中预测燃烧场及污染物空间分布的准确性及适用性,探究了燃烧过程中污染物生成机理及空间分布,结果表明耦合该简化机理可以以较小的计算开销准确预测燃烧场、组分场及污染物空间分布。(3)以某模型燃烧室为研究对象,基于所得简化机理,针对模型燃烧室三个典型工作工况开展了数值模拟工作,分析了不同工况下燃烧室内燃烧特性、NO生成特性及不同NO生成机理对出口 NO排放的贡献情况。结果表明三个工况下对燃烧室出口NO起主导作用的均为热力型机理,快速型机理主要通过加快反应N+O2=NO+O和反应N+OH=NO+H的反应速率来对出口 NO进行贡献。(4)针对燃烧室在额定工况下出口NO排放超标及旋流器中心顿体、燃烧室头部壁面的烧蚀问题,采用对旋流器中心钝体打孔的方式引入吹扫空气,并在燃烧室头部壁面布置非对称分布的头部壁面冷却孔的方法,进而改变燃料分配方案,最终降低了出口NO排放浓度,达到了低污染排放要求。

关键词：机理简化数值模拟燃烧室污染物空间分布污染物生成机理

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