模型燃气轮机燃烧室三维反应流数值模拟

模型燃气轮机燃烧室三维反应流数值模拟孟 岚1,刘立波2,连洪军2,刘顺隆1(1.哈尔滨工程大学动力与核能工程学院,黑龙江哈尔滨150001;2.大庆石油管理局庆矿监理公司,黑龙江大庆163712)摘 要:对一种模型燃气轮机燃烧室中的三维反应流进行了数值模拟.模型燃烧室的燃料是CH 4,燃烧类型是预混燃烧.在数值模拟过程中,湍流场的计算采用了k - 双方程湍流模型;燃烧模型采用EBU 漩涡破碎模型;在计算化学反应时采用了简单化学反应系统假设.另外在数值模拟过程中考虑了辐射问题,具体采用六通量辐射模型.通过数值模拟给出了速度、压力、温度、焓值、燃料分布、含氧量、燃烧产物、燃料空气混合比、湍流粘性系数、湍流耗散动能、以及空间3个方向的辐射热通量等变量的分布情况.对计算结果进行了分析,由分析可以验证数值模拟结果的准确性.并对模型燃烧室进行三维反应流数值模拟的工作为今后对实际燃烧室反应流的数值模拟打下了一定的基础.关键词:燃气轮机燃烧室;数值模拟;湍流;预混燃烧;辐射中图分类号:T K 124 文献标识码:A 文章编号:1006-7043(2003)01-0035-06Numerical simulation of three dimension reacting flowsin model gas turbine combustorM ENG Lan 1,LIU Li bo 2,LIAN Hong jun 2,LIU Shun long 1(1.School o f Pow er and N uclear Ener gy Engineer ing ,Harbin Eng ineering U niv ersity,Harbin 150001,China;2Daqing Qingkuang Construction Superv ising Co.,Daqing 163712,China)Abstract:While the simulation w as run with CH 4as the fuel,and premixed combustion,k - turbulence model and eddy break up model w ere used with a simple chemistry reaction system used to calculate the chemical reaction,and a six flux radiation model used to taken into account the radiation .The distributions of vector,pressure,temprature,enthalpy,fuel,oxyg en,combustion products,fuel air mixing ratio,tur bulence viscosity coefficient,turbulence dissipation kinetic energy and the radiative heat flux w as estab lished as the results of simulation.Key words:g as turbine combustor;numerical simulation;turbulence;premixed combustion;radiation 目前燃气轮机燃烧室的设计在很大程度上是采用经验设计的方法,它是以大量的实践经验、研究性的试验结果和统计资料为基础的.做试验既要花费大量时间,而且价格昂贵[1].燃气轮机燃烧室内的流场具有高温、高压、高速度梯度的特点[2],对于试验测量的要求很高,因此要得到准确、全面的数据很不容易.随着计算机的飞速发展,计算流体力学(CFD)迅速发展起来,它可以替代一些试验,既节省了时间、又降低了费用,而且结果准确、全面.本文针对某种模型燃气轮机燃烧室中的三维反应流进行了数值模拟.模型燃烧室的燃料是CH 4,燃烧类型是预混燃烧.模型燃烧室的结构如图1所示,包括预混气体入口、斜面、2次空气入口、稀释空气入口、出口等几部分.预混气体入口呈圆环形,速度为Y 方向;2次空气入口均匀分布于燃烧室壁面上,共有10个,速度为-Y 方向;稀释空气入口也均匀分布于燃烧室壁面上,距离2次空气入口有一定距离,共有5个,速度为-Y 方向;出口位于燃烧室的未端.图1 燃烧室结构示意图Fig.1 The structure sketch map of the gas turbi ne comb ustor收稿日期:2002-01-15.作者简介:孟 岚(1973-),女,博士研究生,主要研究方向为热流体流动与传热的数值计算.第24卷第1期 哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报 Vol.24 .12003年2月Journal of Harbin Engineering U niversity Feb.20031 数学模型本文所研究的模型燃气轮机燃烧室三维反应流数值模拟,实际上是柱坐标系下的三维湍流预混燃烧问题,其基本方程可以用下面柱坐标系非线性偏微分守恒型方程(1)表示:x ( u )+1r r (r r )+1r !( w )=x∀x +1r r r ∀r+1r 2!∀ !+S .(1)式中: 表示任意独立变量,∀ 是湍流交换系数,S 是源项,方程(1)中 、 、∀ 、S 等参数在不同方程里的具体形式如表1所示.表1 参数在不同方程里的具体形式Table 1The different f orms of the variables in different equations方程 ∀ S 连续方程1#轴向动量方程u #∃- P x +x∃ u x +1rrr ∃v x +1r !∃ wx 径向动量方程v #∃-P r+x ∃ ur+1rrr ∃vr +1r !∃ w r -w r +#w 2r -2∃r 1r w !+vr切向动量方程w #∃-1r P !+ x ∃r r +1r rr ∃1r v !-wr-#v w r+1r !∃r w!+2v+∃r w r +1r v !-wr湍流动能方程k #∃%k G K -C D #湍流耗散方程 #∃% (C 1G K -C 2# ) /k燃料质量分数f #∃%f 0f 脉动值方程g #∃%gC g 1∃fx2+f r2+1r f x2-C g 2#gk能量方程h #∃%h 2a(R x +R y +R z -3E )x 方向辐射通量方程Rx1a +s c-1rr r a +s c R x r +!1a +s c 1r R x !-a(R x -E)+s c3(2R x -R y -R z )r 方向辐射通量方程R y1a +s c +1/r- x r a +s c +1/r R yx -1r !1a +s c +1/r 1r R y !-a(R y -E)+s c3(2R y -R x -R z )!方向辐射通量方程R z1a +s c-x r a +s c R z x -1r r r a +s c R z r-a(R z -E)+s c3(2R z -R x -R z ) 36 哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报 第24卷表中,有效粘性系数∃=∃l +∃t ,∃l 和∃t 分别是层流和湍流粘性系数,并且湍流粘性系数∃t =#C D k 2/ .对于湍流动能和湍流耗散方程,其中的湍流动能生成项:G k =∃tU i x ij + U ij x i U ijx ij.对于自由湍流流动,由Launder 和Spalding [3]给出:C 1=1.44,C 2=1.92,CD =0.09,%k =1.0,% =1.3.湍流燃烧化学反应是个十分复杂的过程,即使是纯燃料(如氢、一氧化碳或甲烷)其燃烧反应也是包含几种至几十种的中间产物,几个至几百个中间反应的复杂反应.由于计算机条件和燃烧模型的限制,若考虑如此复杂的链反应过程,要解出各种中间产物和最终产物在空间各点的分布是相当困难的.对燃气轮即燃烧室的模拟重点需要考虑的问题是燃烧的热效应(如效率、温度和热流分布等等),而且化学反应对流动过程的影响也主要是由它的热效应引起的.针对这个特点,本文采用了可以绕过化学反应详细机理,而又基本满足实际需要的!快速化学反应∀的假设和!简单化学反应系统∀模型[4].!简单化学反应系统∀模型主要内容:1)化学反应可以用单步不可逆反应来表征,燃料、氧化物和产物之间质量的变化满足:1kg 燃料+S kg 氧化剂#(1+S)kg 产物.其中S 是完全燃烧1kg 燃料在理论上所需氧化剂的质量,简称为燃料及氧化剂的当量比.显然它与燃料和氧化剂的种类有关,而与化学反应及流动的状态无关.2)各组分的交换系数∀f u 、∀o x 、∀p r 彼此相等,并且等于总焓交换系数∀h .这意味着刘易斯数等于1.3)各组分的比热彼此相等.由以上基本原理可导出源项为零的混合分数f 的守恒方程(见表1).表1中混合物分数f 定义为f =(v -v ox )/(v f u -v ox ).(2)式中:v ox =-(m ox /s)入口,v f u =(m f u )入口.在简单化学反应系统中,采用的实际燃烧速率公式[5]为R f u =-min (| R f u,A |,| R f u,T |)(3)式中: R f u,A =-ZP 2!m f u !m ox ex p (-E/R T )是以平均参数表示的Arrehnius 类型的燃烧速率公式,它遵守双分子碰撞模型; R f u ,T =-C R #g 1/2 /k 是基于Spalding 提出的漩涡破碎模型建立的湍流燃烧速率公式,常数C R 大约等于6,g =m ∃2f u 是燃料质量分数脉动的均方值,g 的方程见表1;%g 、C g 1和C g 2是常数,通常取为:%g =0.7,C g 1=2.8,C g 2=1.79.在对模型燃烧室进行数值模拟时考虑了热辐射问题,采用适应于三维情况的六通量辐射模型[6].其方程见表1,式中a 是吸收率,ss c 是散射系数,E 是直接发射率(E =%T 4,%=5.669%10-8是斯蒂芬-波尔兹曼常数).2 模型燃烧室的结构及工况本文所模拟的模型燃气轮机燃烧室的几何尺寸见图2.燃烧室的长度为245m m,半径为65mm.燃料入口所在圆筒壁面的半径为13mm ,距离燃烧室端部25mm 处.在燃烧室的端部外沿处有一段轴向距离为25mm 、径向距离为27.5m m (65-37.5=27.5)的斜面.斜面的作用是为了避免在燃烧室外沿处造成回流高温区,防止燃烧室壁面被烧坏.为了防止燃烧不完全,在距离燃烧室端部73.5mm(25+48.5=73.5)处有2次空气入口,促使未燃烧的燃料以及不完全燃烧的产物进行2次燃烧.为了防止燃烧室后面的燃气透平受到高温燃气的冲击而损坏,燃烧室出口处的燃气温度分布尽量要均匀,在距离2次空气入口49mm 处有稀释空气入口.图2 模型燃烧室几何尺寸图(mm)Fig.2 Geometr y of the gas turbine combustor燃烧室的工况参数是:预混燃气喷入速度是100m s -1,流量是0.1178kg s -1,其温度是773K;2次空气喷入速度是40m s -1,流量是37 第1期 孟 岚,等:模型燃气轮机燃烧室三维反应流数值模拟0.008157kg s -1,其温度也是773K;稀释空气喷入速度是40m s -1,流量是0.0145kg s -1,其温度是500K;壁面当作温度773K 的等温壁面,其黑度为0.3;燃烧室内气体的吸收率定为0.2,散射系数为0.01;预混气体中的燃料含量为0.0548;燃料的化学反应焓值为4.9%107J kg -1.3 计算结果本文对于上述模型燃气轮机燃烧室的三维反应流进行了数值模拟,得到了速度、压力、温度、焓值、燃料分布、含氧量、燃烧产物、燃料空气混合比、湍流粘性系数、湍流耗散动能、以及空间3个方向的辐射热通量等变量的分布情况.由于变量太多,而且有些变量反应的物理情况是一样的(例如燃料分布和含氧量分布正好相反,温度分布与焓值分布相同等),这里只分析了两个典型的轴向截面(只有2次空气入口的截面和2次空气与稀释空气入口都有的截面)上的我们比较关心的变量的分布情况.图3 流线分布情况Fig.3 Streamline distr ibut ion图3给出了两个典型轴向截面上流线的分布情况.由图3(a)可以看出:受入口速度的影响,混合气体进入燃烧室后直射燃烧室壁面;经过斜面位置时,由于受到斜面的影响发生轻微的偏转;气体再往前流动,接近壁面,受到壁面的作用气体分叉,有一小部分气体沿着斜面流向燃烧室端部,并在燃烧室端部形成回流,其余大部分气体沿着燃烧室的圆柱壁面向出口方向流动;往出口处流动的气体沿着壁面流动至2次空气入口处,受到2次空气的影响,向着燃烧室轴线方向发生偏转,并且由于混合气体喷射与2次空气喷射的联合作用,在它们之间形成了一个大的环形回流区,这样有利于完全燃烧;大部分气体沿着偏向于轴线一定角度的方向向出口处流动,由于燃烧室是轴对称的,气体都向着轴线流动,势必在轴线的某一位置处相遇,它们互相之间产生力的作用,气体流动方向再一次发生偏转,流体沿着轴线方向流动;并且由于在某些轴向截面上存在的稀释空气喷射在径向截面上由燃烧室轴线附近流到此截面上(图中轴线上沿径向的气体流入便是此部分),此部分新流入的气体与此截面上原有气体互相参混、近似于平行地流向燃烧室出口处.图3(b)中,在稀释气体入口之前的流动情况与图3(a)的流动情况基本一致.此轴向截面存在着稀释空气的喷射,所以在稀释空气入口处的燃烧室壁面上有气体流入.稀释空气的喷射方向是沿着壁面法向方向的,由于受到上游气体流动的影响,稀释空气的流动向着燃烧室出口处发生偏转,并且与燃烧室中原有气体参混、流向燃烧室的出口处.图4给出了两个典型轴向截面上等压线的分布情况.由图可以看出:由于混合气体以100m s -1的速度喷入燃烧室,速度很大,势必在其冲击壁面的位置附近形成高压区,此位置压力达到1500Pa 以上;混合气体受到壁面的阻碍发生分叉,小部分气体流向燃烧室端部受端部壁面作用形成回流区,此回流区的中心压力在500Pa 以下;大部分气体流向燃烧室出口处又受到2次空气喷射的作用形成一个大的环形回流区此回流区中心压力可以达到-500Pa 以下;在2次空气入口处有一个低压区,最低压力区-500~0Pa,这主要由于2次空气以40m s -1的速度喷入燃烧室所造成的;同时在2次空气入口处后面有一个很小的最低压力低于-500Pa 的低压区,这主要是由于2次空气是沿着壁面法线方向流入的,带动燃烧室内气体都向轴线流动,势必在入口下游附近造成低压区;同样,在稀释空气入口附近压力也较高,其最高压力区0~500Pa,在稀释空气入口后面也存在一个很小的最低压力低于-500Pa 的低压区(由图4(b)可以看出);在稀释空气入口所在径向截面的轴线附近存在着一个最高压力高于500Pa 的高压区,这主要是由于稀释空喷射并在轴线附近相互冲击造成的.图5给出了两个典型轴向截面上湍流粘性系38 哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报 第24卷图4压力分布情况(Pa)Fig.4 Pressure distribution图5 湍流脉动动能平均值分布情况(m 2 s -2)Fig.5 T urbulent kinetic energy distribution数的分布情况.由图可以看出:在燃烧室端部回流区的湍流粘性系数最大,最大值范围0.04~0.05,这主要是由于回流造成的;在混合气体入口和2次空气入口之间的大的环形回流区的位置,湍流粘性系数也很大,最大值范围0.02~0.03,由于两个入口之间距离相对于燃烧室端部尺寸来说较大,所以其数值不是太大;在混合气体入口台阶下游附近湍流粘性系数也很大,最大值范围0.03~0.04,这主要是由于台阶产生锐缘效应增加了湍流度,造成湍流粘性系数数值很大;在稀释空气入口所在径向截面轴线附近湍流粘性系数也很大,最大值范围0.02~0.03,这主要是由于在此位置稀释空气相遇发生相互冲击,造成湍流度很大,湍流粘性系数也很大.通过(a)、(b)两图可以看出:无论是混合气体入口处、2次空气入口处还是稀释空气入口处湍流粘性系数都很小,都小于0.01,这主要是由于入口处的速度都很大,湍流度很小,湍流粘性系数相应的也就很小.通过对比图(a)和(b),还可以看出:同样在2次空气入口处,在有稀释空气入口的截面上要比在没有稀释空气入口的截面上的湍流粘性系数小于0.01的区域要大,即2次空气喷射的距离要长.这主要是由于稀释空气的喷射与2次空气的喷射是平行的,势必对2次空气向燃烧室出口处的流动造成阻碍,这样2次空气喷射的距离变长,相应地湍流粘性系数小的区域比较大.还可以看出:无论是在燃烧室端部壁面附近还是在燃烧室圆柱形壁面附近,湍流粘性系数都很小,都小于0.01,这个现象是完全符合流动规律的.图6 温度分布情况(K )Fig.6 T emper ature distr ibution图6给出了两个典型轴向截面上温度的分布情况.由图6(a)可以看出:预混气体进入燃烧室后便开始燃烧,气体温度快速增加,温度梯度很大,当到达燃烧室壁面处时可以达到2000~2200K;由于壁面的阻碍气体发生分叉,流向燃烧室端部的气体虽然少,但是由于在端部形成回流,燃烧在继续进行,造成端部气体温度继续升高,但是由数值模拟结果可以看出气体温度最后也没超过2200K,并且由于此处是回流区气体接触到混合气体流时会加热混合气体,这也造成预混气体流温度梯度大;流向出口处的气体由于2次空气的流入温度降低,在轴线附近可以达到1200K 以下;2次空气入口下游靠近壁面处由于存在回流区,形成局部高温区,最高温度可以达到1800K;此截面上虽然没有稀释空气入口,但稀释空气可以在径向截面流入到此截面,所以从稀释空气入口附近开始燃烧室轴部温度继续降低至800~1000K;而且还可以看出,在此截面出口处气体的温度分布还是比较均匀的,大部分都在800~1200K.图6(b)所示截面上的温度分布情况在2次空气入口前与图6(a)基本上是一样39 第1期 孟 岚,等:模型燃气轮机燃烧室三维反应流数值模拟的,但是由于此截面上存在稀释空气入口,造成2次空气入口下游回流高温区变小、而且其温度也很快地降下来;由于回流高温区的温度下降得快,造成2次空气温度升高减慢,在此截面上便没有升高到1200K;由于稀释空气入口的存在,在其下游壁面附近存在回流,造成温度高,以致此截面出口处温度分布不均匀,壁面处竟然达到1600K 以上;综合图3(b)可以看出,此截面出口温度虽然分布不均匀,而且局部温度值很高,但是高温区的气体流量很小,大部分气体都位于低温区,所以出口流体的平均温度并不是很高.由温度分布图还发现一个问题,本模型燃烧室由于没有气膜冷却系统[7],壁面局部温度过高,容易把壁面烧坏.这是此燃烧室今后需要改进的一个问题.图7 燃料浓度分布情况Fig.7 Fuel distributio n图7给出了两个典型轴向截面上燃料的分布情况.由图可以看出:在预混气体入口处燃料浓度最大,为0.05~0.06,这与预混气体燃料浓度为0.0548的入口条件是一致;随着预混气体的喷射,燃烧在进行,燃料浓度在下降,由于是按着简单化学反应系统来进行数值模拟的,即化学反应是单步不可逆的,所以燃料很快地就被烧得差不多了,燃料浓度下降梯度特别快,在燃烧室壁面处已经达到0.001~0.01;两个截面上的燃料浓度的分布基本上相同,只不过在图7(b)中稀释空气入口处,由于稀释空气的流入,造成此位置的燃料浓度降低,但是在此位置的下游由于有气体在径向截面上的流入形成一个燃料浓度大于0.0001的区域;两个截面的出口处燃料浓度都低于0.0001,这说明燃料的燃烧完全性很好.4 结 论本文对于某种模型燃气轮机燃烧室中的三维反应流进行了数值模拟,并对计算结果进行了一定的分析.分析的结果证明数值模拟的结果是可靠的.虽然只是模型燃烧室的数值模拟,但是此燃烧室尺寸很小,而且还存在着预混气体、2次空气、稀释空气等多种流体的高速喷射.为今后对实际燃烧室进行数值模拟、提供了坚实的基础.同时在数值模拟中,还考虑了化学反应以及壁面辐射问题,这些都属于燃烧室数值模拟的难点所在.对于燃烧室内三维反应流的数值模拟对燃烧室的设计和优化工作既节省了时间、又节约了费用,而且数值模拟的结果要比试验的结果更加全面、准确.参考文献:[1]LEFEBV RE A H.Gas turbine combustion [M ].N ewYork:Hemispere,1983.[2]焦树建.燃气轮机燃烧室[M ].北京:机械工业出版社,1981.[3]SPA LDI NG D bustion and mass transfer [M ].Per gamo n Pr ess,1979.[4]SPA LDI NG D B.T urbulence mo dels[R].Imper ial Col leg e Repor t.1980.[5]王应时,范维澄,周力行,等.燃烧过程数值计算[M ].北京:科学出版社,1986.[6]葛绍岩,刘登瀛,徐靖中,等.气膜冷却[M ].北京:科学出版社,1985.[责任编辑:李玲珠]40 哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报 第24卷。