高压燃烧室内甲烷预混燃烧过程的数值研究

高压燃烧室内甲烷预混燃烧过程的数值研究随着污染问题的日益加重和人类环保意识的逐渐加强,污染物的排放问题成为社会普遍关注的话题。实现低污染排放是各国当先在燃气轮机研究方面追求的主要目标,因此,优化燃气轮机燃烧室的NOx排放技术,如何在提高燃烧效率的同时兼顾燃烧稳定性和控制燃烧过程中污染物的生成,成为设计及优化燃烧室燃烧技术的重中之重,是人们关注和研究的焦点问题。

本文总结了国内外不同燃烧技术研究,运用数值计算软件Fluent对干式低排放高压燃烧室的燃烧特性进行模拟研究,归纳总结出关于甲烷预混燃烧的一定规律,为燃气轮机燃烧技术的发展打下基础。本文开展的工作和获得的成果如下:1.使用前处理软件Gambit对模型燃烧室进行建模,为验证模型能否用于高压燃烧的模拟研究,从两方面测试模拟结果的合理性:网格无关性验证和实验值验证。

经测试,网格数量为43万时具有较好的网格无关性,模拟结果和实验数据吻合较好。2.比较了有限速率/涡耗散模型(FR-EDM)和涡耗散概念模型(EDC)模拟结果的影响,分析了整体温度场、特征直线上的温度分布及NOx生成,结果表明:EDC 模型计算结果的高温区明显大于FR-EDM模型,且EDC模型的NOx高浓度区域更大;3.使用三维数值模拟方法研究了当量比对于对燃烧室燃烧和污染物生成的影响,详细比较分析了燃烧室内整体和特征直线上温度、轴向速度分布、NOx生成和燃烧室出口NOx浓度以及出口温度均匀性等的变化。

分析表明:随着当量比的增大,燃烧室内流场变化较小;温度场变化较大,高温区明显扩大,整体温度上升;燃烧室出口温度不均匀性增大;NOx生成及排放浓度急剧上升。4.研究了进气温度对于燃烧室内燃烧和污染物生成的影响。

分析了燃烧室特征直线和出口截面上温度场、流场分布、NOx生成。分析表明:随着进气温度的增大,整体轴向速度略有增加;高温区扩大,中心回流区温度上升;燃烧室出口温度不均匀系数减小;整体NOx摩尔分数上升,NOx排放浓度迅速上升。

经整理归纳得出甲烷预混燃烧的部分基本规律,为干式低排放高压燃烧室的稳定燃烧、低NOx排放提供理论依据,具有较大的实际意义。