燃氣輪機燃燒室噴霧燃燒的數值研究.pdf

1、燃燒室是燃氣輪機重要的熱端部件，工作中燃燒室內會發生復雜湍流、回流、燃料噴射、霧化、蒸發和摻混、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值模擬方法的不斷完善，數值模擬方

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值模擬，這對促進燃氣輪機的發展具有重要意義。
　　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。
　　噴嘴的數值研究包括噴嘴內兩相流流動和噴嘴外噴霧場兩個方面。其中，噴嘴內兩相流流動采用了FLUENT軟件中VOF(volume of fluid)方法來模擬，計算結果較好地模擬出離心式噴嘴內的空氣渦與噴霧錐角，并與實驗結果吻合較好。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值研究所得的霧化參數結果，針對含有強旋流的某燃氣輪機環形燃燒

5、室噴霧燃燒進行了數值研究。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）聯合方法對其進行噴霧燃燒的數值模擬。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湍流模型與雙層區近壁處理方法能夠更合理地預測燃燒室內的流場分布。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，結果表明壁面輻射率對燃燒室內部流場、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