EBU和PDF模型在燃烧室上的应用

EBU和PDF模型在燃烧室上的应用
常峰;索建秦;梁红侠;黎明;武晓欣
【摘要】使用FLUENT软件中两种常用燃烧模型——有限速率涡耗散(EBU)模型和PDF模型对高温升燃烧室进行了计算,得到了两种模型下的速度场,温度场等特性,并对结果进行了分析.获得了适合高温升燃烧室计算的模型.%Two common combustion mode! Are used which are finite rate eddy broken (EBU) model and PDF model in FLUENT software to calculate the high temperature rise combustor. The velocity field, temperature field and other features are gotten. The model suitable for the high temperature rise combustor is obtained.
【期刊名称】《科学技术与工程》
【年(卷),期】2012(012)015
【总页数】4页(P3699-3702)
【关键词】CFD;燃烧室;EBU模型;PDF模型
【作者】常峰;索建秦;梁红侠;黎明;武晓欣
【作者单位】西北工业大学动力与能源学院,西安710072;西北工业大学动力与能源学院,西安710072;西北工业大学动力与能源学院,西安710072;西北工业大学动力与能源学院,西安710072;西北工业大学动力与能源学院,西安710072
【正文语种】中文
【中图分类】V235
先进燃气轮机燃烧室的发展是一项复杂的过程，需要很多严格的反复试验和测试，整个过程是十分昂贵的。

计算流体动力学(CFD)作为一种新的研究方式，由于其能够准确预测反应的流动状况，为先进燃气轮机的研究过程提供了一种有效地方式，并能够有效地减少研制的费用［1］。

高温升燃烧室作为先进燃气轮机发展的一个方向，国内外都做了大量的研究［2～7］，对于高温升燃烧室试验的费用更是昂贵，所以CFD前期计算就显得更加重要。

对于燃烧室的燃烧反应，由于牵扯到复杂的反应机理，这给CFD计算带来了很多
的困难。

为此，在燃烧反应中，商用软件提出了很多模型用于预测燃烧后的温度场，速度场，反应产物种类。

作为比较流行通用的Fluent软件，它提供了通用有限速
率模型、非预混燃烧模型、预混燃烧模型和部分预混燃烧模型等燃烧模型。

基于新一代高温升燃烧室使用了两种化学反应模型通用有限速率涡耗散EBU模型
和非预混PDF模型对新型燃烧室结果进行了数值计算，对结果进行了对比。

有限速率涡耗散模型是基于组分质量分数的输运方程的解，采用由用户定义或系统定义的反应机理，对化学反应进行计算。

且对Arrhenius方程和涡耗散反应速率
方程都进行计算，反应速率取两个中的较小者［8］。

在反应中Arrhenius方程起到一种动力开关作用，能够阻止化学反应在火焰稳定器之前发生反应，所以这种模型能够用在研究预混燃烧燃烧室中，现讨论其是否能用于非预混燃烧室中。

非预混PDF模型在一定的假设下把化学反应简化为单一混合分数，燃烧问题被简
化为混合问题。

通过解一个或两个守恒的输运方程，然后建立一个基于混合分数的查询表，给定流域中一点的时均值和脉动时均值，查表可以获得该点处的时均质量分数，时均平均密度和时均平均温度等量［8］。

因为不需要求解很多组分输运方程，这种方法在计算上非常有效，作为一种喷即燃的模型，仅适用于非预混燃烧。

1 物理模型和计算方法
1.1 物理模型结构
使用的单管燃烧室如图1所示。

空气流量分配按新一代高温升燃烧室的设计要求。

图1 单管燃烧室物理模型
结构特点分析
(1)头部旋流器采用主副模双旋流结构来产生回流区，所以没有燃烧室主燃孔，主
燃区空气全部通过头部进入，头部冷却空气即是冷却空气又是燃烧空气，保留了掺混孔，用于出口温度分布的控制。

(2)副油加副模空气燃烧区在内，主油加主模空气燃烧区在外，其中副模燃烧区从
头至尾始终工作，是“长明灯”，在各个工况下起到稳定火焰的作用(尤其在低工
况下);
(3)冷却方式为发散小孔冷却［9，10］，采用切向进气方式，孔间距为5 mm，
孔径0.5 mm。

1.2 计算模型
现研究两种模型的流场和燃烧温度场等特性，所以对流体部分使用Gambit软件
采用结构化网格和非结构化网格分块对流体区域进行划分，整个流动区域的网格数约为540万。

网格如图2所示。

图2 采用Gambit划分的燃烧室网格
1.3 计算模型和边界条件
CFD计算使用基于压力的隐式求解器和标准k-ε紊流模型，得到冷态流场，然后
用非预混燃烧PDF模型以及有限速率涡耗散EBU模型进行燃烧计算。

为了能够比较两种方法计算的区别，除了燃烧模型不同之外，其他边界条件都相同。

设计工况为:进口总压为3 129.73 kPa，进口总温为845.75 K，空气流量为3.903 5 kg/s，燃油流量为副油 0.028 6 kg/s，主油为0.1142 9 kg/s，相应整个燃烧室油气比为0.036 6。

选取质量流量入口，压力出口，燃料采用煤油化学式C12H23，主模采用直射喷嘴，副模采用旋流雾化喷嘴，喷射角度为90°。

2 计算结果与讨论
2.1 流场特性
双旋流结构头部和文献［11］中介绍的LPP贫油预混预蒸发燃烧的头部类似，结
果表明形成的回流区也相似。

燃烧后的流场如图3所示，使用PDF和EBU计算燃烧的流场结构基本相同，在旋流器下游形成了沿轴线对称分布的回流区，并且主模回流区和副模回流区基本重叠。

图3 PDF和EBU方法燃烧流场流线图
2.2 温度场、总压损失特性
燃烧后的温度场分布情况如图4所示，PDF能够显现出火焰交界面的位置，而EBU方法不能够显现出这些。

温度沿火焰筒轴线分布如图5所示，EBU方法的高
温区域更靠近头部，而PDF方法算得的高温区更靠近出口［1］。

图4中，EBU
方法温度场明显显现出了掺混孔对于温度场结构的影响，而PDF掺混孔的影响不
明显。

掺混空气进入后温度是应该降低的，所以EBU方法更能够表示出流场对于
温度场的影响。

图4 设计工况下EBU和PDF得到的燃烧温度场
图5 温度沿火焰筒轴线分布
对于两种方法计算的出口平均温度和总压损失如表1所示，从表中可以看出对于
出口平均温度，EBU方法要比PDF方法低，这和前边温度场分析的结论是一致的。

对于燃烧室总压损失，设计总压损失为 4%，PDF方法为 4.94%，而 EBU方法为4.54%，这说明两种方法计算的结果基本一致，满足设计总压损失要求。

3 结论
表1 出口平均温度和总压损失比较?
(1)从计算的流场来看，使用PDF方法和EBU方法都能够准确预测燃烧室流场，并且通过两种方法计算得到的燃烧后流场结构相同，相互印证了结果的正确性。

(2)对于火焰的位置，PDF方法能够很明显地显现出来，而EBU方法算的温度场很均匀，不能够显现出。

(3)从温度场来看，PDF方法高温区更靠近燃烧室出口，而EBU方法高温区更靠近头部，PDF方法在加入掺混空气后温度没有降低反而升高，这与实际不相符，而EBU方法明显地显现出掺混空气的影响，所以虽然高温升燃烧室是采用非预混结构，但是EBU方法更适合正确表示温度场整体云图。

(4)对于总压损失、出口温度等两种方法都能够进行预测，并且可用于对设计的燃烧室进行初步评估。

综上所述，PDF和EBU方法都可以用于非预混燃烧室中，并且都能够预测出燃烧后的速度场，温度场。

EBU模型能够反映实际温度场特点，而PDF方法能明显地显现出火焰交界面的位置。

EBU模型一步反应不能够预测中间产物，而PDF方法可以，PDF方法设置要比EBU方法简单且容易实现。

参考文献
【相关文献】
1 James S，Zhu J，Anand M S.Simulations of gas turbine combustor flows using the node-based PDF transport method.AIAA，2002—4013
2 Bahr D W.Technology for the design of high technology for the design of high temperature rise combustors.AIAA，1987;3(2):179—186
3 Kress E J，Taylor J R，DoddsW J.Multiple swirler dome combustor for high temperature rise applications.AIAA，90—2159
4 侯晓春.高性能航空燃气轮机燃烧技术.北京:国防工业出版社，2002
5 黎明，吴二平，唐明.高温升蒸发型双腔燃烧室的设计.推进技术，2010;31(4):418—422
6 金如山.高温升燃烧室技术.推进技术及产品，1989;4(1):34—36
7 林宇震，许全宏，刘高恩.燃气轮机燃烧室.北京:国防工业出版社，2008
8 Fluent Inc.FLUENT 6.3 User’s Guide.Fluent Inc.2006
9 汪涛，索建秦，梁红侠，等.火焰筒切向进气发散小孔冷却数值模拟.航空动力学报，2011;6(5):1052—1058
10 Suo Jianqin，Liang Hongxia，Chin J S.Study on gas combustor cooling calculation.AIAA Paper，2009，5292
11 Dhanuka S K，Temme J E，Driscoll J F，et al.Unsteady aspects of lean premixed prevaporized(LPP)gas turbine combustor:flameflame interactions.AIAA，2010，1148。