燃氣輪機燃燒室噴霧燃燒的數(shù)值研究.pdf

1、燃燒室是燃氣輪機重要的熱端部件，工作中燃燒室內(nèi)會發(fā)生復雜湍流、回流、燃料噴射、霧化、蒸發(fā)和摻混、湍流燃燒以及輻射傳熱等過程。長期以來，燃氣輪機燃燒室的設計主要借助于實驗、半經(jīng)驗或半分析法。但隨著燃燒室進出口溫度的提高和溫升越來越快，用于冷卻火焰筒的空氣量越來越少，同時對污染物的排放要求越來越嚴格，僅憑經(jīng)驗設計燃燒室很難達到要求，需要采用更準確的方法來預測燃燒室的性能。
　　隨著計算機技術的提高以及數(shù)值模擬方法的不斷完善，數(shù)值模擬方

2、法被越來越多的人認可，工程上比以往更加重視燃燒室的數(shù)值模擬，這對促進燃氣輪機的發(fā)展具有重要意義。
　　燃油噴嘴是燃燒室的關鍵部件，其霧化性能直接影響到燃氣輪機燃燒室的燃燒性能，因此，噴嘴霧化性能的研究是燃氣輪機燃燒室噴霧燃燒研究的前提。本文針對某燃氣輪機雙路離心式燃油噴嘴，利用實驗與數(shù)值模擬方法對其霧化性能進行了研究。實驗測量了噴嘴豐、副油路以及主副油路在不同壓力下的流量特性與霧化錐角，拍攝了噴嘴典型工況下的噴霧場照片，并利用二維

3、相位多普勒粒子分析儀(PDPA，phase Dopplerparticle analyzer)測量了霧化粒度。實驗結(jié)果表明，該噴嘴豐、副油路流量特性、霧化錐角及霧化粒度均能達到該噴嘴的設計要求。
　　噴嘴的數(shù)值研究包括噴嘴內(nèi)兩相流流動和噴嘴外噴霧場兩個方面。其中，噴嘴內(nèi)兩相流流動采用了FLUENT軟件中VOF(volume of fluid)方法來模擬，計算結(jié)果較好地模擬出離心式噴嘴內(nèi)的空氣渦與噴霧錐角，并與實驗結(jié)果吻合較好。噴嘴

4、外噴霧場采用FLUENT軟件中LISA(linerized instability sheet atomization)模型和二次破碎TAB(Tayloranalogy breakup)模型進行模擬分析，模擬結(jié)果得出了不同供油壓力下噴霧流場和索太爾平均直徑SMD(Sauter mean diameter)，從而為燃燒計算提供了一定起始條件。
　　利用雙路離心式噴嘴實驗和數(shù)值研究所得的霧化參數(shù)結(jié)果，針對含有強旋流的某燃氣輪機環(huán)形燃燒

5、室噴霧燃燒進行了數(shù)值研究。建立了燃氣輪機燃燒室噴霧燃燒的物理模型，采用一定的湍流模型、非絕熱簡單概率密度函數(shù)燃燒模型、顆粒軌跡隨機模型、離散坐標法輻射模型及灰體加權(quán)求和模型、熱力型NO模型、CO生成模型及詳細的化學反應機理（20種組分，41步化學反應機理）聯(lián)合方法對其進行噴霧燃燒的數(shù)值模擬。計算方法采用SIMPLE(semi-implicit method for pressure-linked equations)算法求解壓力-速度耦

6、合，其中，對流項采用二階迎風格式，擴散項采用中心差分格式進行離散。分析了四種湍流模型及三種近壁處理方法對燃燒室燃燒性能的影響，得出了RNG k-e湍流模型與雙層區(qū)近壁處理方法能夠更合理地預測燃燒室內(nèi)的流場分布。同時，驗證了離散坐標法輻射模型在應用于旋流燃燒的可行性和準確性，并分析了壁面輻射率對燃燒室燃燒性能的影響，結(jié)果表明壁面輻射率對燃燒室內(nèi)部流場、溫度場及燃燒室出口溫度分布影響較小，而對燃燒室污染物排放、壁面溫度分布及液滴尺寸分布影響