高壓燃燒室內(nèi)湍流燃燒過程的大渦模擬與實驗研究.pdf

1、提高燃燒室內(nèi)空氣的進氣壓力及透平入口溫度以提高循環(huán)熱效率是國際上重型燃氣輪機燃燒室技術(shù)的發(fā)展趨勢，如何在燃氣參數(shù)進一步提高的情況下，保證燃燒室內(nèi)燃燒工況穩(wěn)定以及較低的NOx排放依然是燃氣輪機燃燒室設(shè)計的關(guān)鍵問題。進氣壓力影響燃燒室內(nèi)碳氫燃料中C、H原子與氧分子的燃燒反應(yīng)過程，進而影響燃燒室內(nèi)速度場、溫度分布、燃燒不穩(wěn)定性以及NOx、CO等污染物的生成反應(yīng)，而這些影響規(guī)律都無法通過常壓燃燒實驗獲得，因此，深入開展高壓條件下，氣體燃料的貧-

2、燃預(yù)混燃燒實驗勢在必行。本文以中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金重大項目(2014ZZD04)以及北京市自然基金面上項目(3162030)資助為依托，設(shè)計并搭建了“適用于燃氣輪機特高膨脹比透平的燃燒器和壓縮空氣儲能系統(tǒng)的高壓模型燃燒室研究”的高壓燃燒實驗系統(tǒng)，可用于進氣壓力為0.1MPa～4.0 MPa范圍內(nèi)，氣體燃料的貧-燃預(yù)混燃燒過程的實驗研究。本文詳細探討了高壓模型燃燒室的設(shè)計方法、實驗系統(tǒng)的構(gòu)成、主要零部件的選型與檢驗以及實驗系統(tǒng)原

3、理?；诖烁邏喝紵龑嶒炏到y(tǒng)，深入開展了一系列高壓條件下，氣體燃料的貧-燃預(yù)混過程的燃燒實驗。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合大渦模擬方法(Large EddySimulation，LES)進一步研究了高壓條件下，旋流數(shù)、雷諾數(shù)、燃料當(dāng)量比、值班比以及壓力等燃燒室主要的結(jié)構(gòu)和進氣參數(shù)對3種不同類型燃燒室內(nèi)熱態(tài)流動、燃燒、污染物生成以及渦旋脫落、進動渦核以及低頻振蕩等燃燒室內(nèi)大尺度不穩(wěn)定性現(xiàn)象的影響規(guī)律，并對不同類型的燃燒室內(nèi)各主要參數(shù)影響規(guī)律的異同進行了

4、對比與總結(jié)，明確了各結(jié)構(gòu)和進氣參數(shù)在抑制燃燒室內(nèi)NOx生成以及燃燒不穩(wěn)定性現(xiàn)象的重要作用，為燃氣輪機干式低排放燃燒室的設(shè)計和改造提供參考。本文的具體工作如下:
　　首先，參考國內(nèi)外燃氣輪機燃燒室的設(shè)計經(jīng)驗，對適用于燃氣輪機特高膨脹比透平的燃燒器和壓縮空氣儲能系統(tǒng)的高壓模型燃燒室研究的高壓燃燒實驗系統(tǒng)進行了總體設(shè)計與計算，詳細介紹了各個子系統(tǒng)的構(gòu)成及原理，對主要的零部件進行了設(shè)計、選型及檢驗，對實驗系統(tǒng)的控制軟件進行了設(shè)計與改進;<

5、br>　　其次，基于高壓燃燒實驗裝置，通過實驗方法研究得到了高壓條件下，進氣壓力、旋流數(shù)、雷諾數(shù)、燃料當(dāng)量比等燃氣輪機燃燒室主要的結(jié)構(gòu)和進氣參數(shù)對高壓模型燃燒室內(nèi)，貧-燃預(yù)混火焰形態(tài)、溫度分布以及污染物排放的影響規(guī)律，并驗證了高壓條件下，亞格子湍流燃燒模型的適用性;
　　再次，在燃燒實驗的基礎(chǔ)上，通過大渦模擬方法進一步精確地求解了實驗手段無法獲得的燃燒室內(nèi)流場的空間和時間上的動態(tài)信息，系統(tǒng)地研究了燃燒室主要的結(jié)構(gòu)和進氣參數(shù)對高壓模

6、型燃燒室內(nèi)熱態(tài)流動、燃燒、污染物生成以及渦旋脫落、進動渦核以及低頻振蕩等燃燒室內(nèi)大尺度不穩(wěn)定性現(xiàn)象的影響規(guī)律;
　　最后，在亞格子湍流燃燒模型適用性驗證的基礎(chǔ)上，采用大渦模擬方法對微、小型燃氣輪機以及F級重型燃氣輪機典型機組燃燒室內(nèi)氣體燃料的貧-燃預(yù)混燃燒過程進行了數(shù)值模擬，詳細分析了燃燒室主要的結(jié)構(gòu)和進氣參數(shù)對燃燒室性能的影響規(guī)律，明確了各參數(shù)在抑制燃燒室內(nèi)NOx生成以及燃燒不穩(wěn)定性現(xiàn)象的重要作用，為微、小型燃氣輪機以及重型燃氣