某重型燃?xì)廨啓C(jī)碳煙生成和排放研究

王力軍，楊海峰，孫遠(yuǎn)偉，陰松凱

（1.沈陽(yáng)航空航天大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，沈陽(yáng) 110136；2.沈陽(yáng)航空航天大學(xué)航空航天工程學(xué)部，沈陽(yáng) 110136；3.中航工業(yè)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，沈陽(yáng) 110043）

某重型燃?xì)廨啓C(jī)碳煙生成和排放研究

王力軍1，楊海峰2，孫遠(yuǎn)偉3，陰松凱3

（1.沈陽(yáng)航空航天大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，沈陽(yáng) 110136；2.沈陽(yáng)航空航天大學(xué)航空航天工程學(xué)部，沈陽(yáng) 110136；3.中航工業(yè)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，沈陽(yáng) 110043）

為了研究某重型燃?xì)廨啓C(jī)碳煙（soot）污染物的生成和排放規(guī)律，在多種負(fù)荷條件下，分別應(yīng)用碳煙的一步和二步生成模型，對(duì)某重型燃?xì)廨啓C(jī)碳煙的生成和排放濃度進(jìn)行了三維數(shù)值計(jì)算和分析。采用Realizablek－ε湍流模型模擬湍流流動(dòng)，用拉格朗日隨機(jī)游走模型模擬霧化燃油顆粒的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，用PDF燃燒模型模擬燃燒化學(xué)反應(yīng)速率，壓力速度耦合采用SIMPLE算法和二階迎風(fēng)格式。計(jì)算結(jié)果表明，燃燒室的主燃區(qū)為富油設(shè)計(jì)，是碳煙生成的主要場(chǎng)所。燃燒室出口的最大冒煙數(shù)SN在0.082～0.86之間。用二步法模型計(jì)算的碳煙生成濃度低于一步法，是碳煙生成與氧化二個(gè)因素綜合作用的結(jié)果。計(jì)算結(jié)果為研究碳煙生成規(guī)律和計(jì)算方法提供了理論依據(jù)。

重型燃?xì)廨啓C(jī)；燃燒室；數(shù)值模擬；碳煙；冒煙數(shù)

碳煙（soot）又稱為炭黑或碳粒，是燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室主要的有害排放物之一，也是燃?xì)廨啓C(jī)排放微粒PM2.5的主要部分。碳煙的形成降低了燃燒室的燃燒效率，也增加了燃燒室壁面的熱負(fù)荷，而排氣不可見(jiàn)冒煙既是燃?xì)廨啓C(jī)清潔燃燒的環(huán)保要求，也是航空燃?xì)廨啓C(jī)減少碳粒子從而降低觸發(fā)紅外輻射的隱身和低可觀測(cè)性的要求。燃燒室主燃區(qū)的碳粒子濃度低，可以降低發(fā)光火焰輻射，減少對(duì)壁面?zhèn)鳠?，延長(zhǎng)燃燒室火焰筒壽命。碳煙是燃料不完全燃燒時(shí)形成的，碳煙形成后，還會(huì)重新氧化，其形成過(guò)程和機(jī)理十分復(fù)雜，包括碳煙前驅(qū)體（多環(huán)芳香烴PAHs）等幾百個(gè)基元的上千個(gè)基元反應(yīng)，而非能用經(jīng)驗(yàn)公式所能夠描述的［1］，但這些復(fù)雜的反應(yīng)機(jī)理并不能實(shí)際應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室數(shù)值模擬中［2］。在試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果中［3－6］，燃?xì)廨啓C(jī)中碳煙的形成與燃料類(lèi)型和燃燒室中的火焰結(jié)構(gòu)及其特性有密切關(guān)系，影響碳煙排放的主要因素有燃料的當(dāng)量比及其噴嘴噴射和霧化特性、燃燒室?guī)缀螛?gòu)型、燃燒室內(nèi)復(fù)雜的局部湍流流動(dòng)、油氣比變化和氣體成分變化等。Ian M.Kennedy對(duì)碳煙生成煙花模型進(jìn)行了詳細(xì)的綜述，碳煙的生成與氧化的數(shù)學(xué)模型可分為經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、在試?yàn)基礎(chǔ)上的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵约霸谠敿?xì)反應(yīng)機(jī)理基礎(chǔ)上的反應(yīng)速率模型［7］。各種模型之間沒(méi)有嚴(yán)格的區(qū)別，而是有相互重疊和聯(lián)系。B.F.Magnussen和B.H.Hjertager將碳煙生成模型與燃燒EDC模型相結(jié)合，用于模擬湍流燃燒的碳煙與氧化［8］。

燃?xì)廨啓C(jī)燃燒的碳煙模化比其它污染物如NOx排放更重要并具有挑戰(zhàn)性，但關(guān)于重型燃?xì)廨啓C(jī)碳煙生成的試驗(yàn)測(cè)試和數(shù)值研究方面［9］公開(kāi)發(fā)表的文章并不多見(jiàn)。為了探明重型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒行為及其燃燒生成碳煙的過(guò)程，從而控制燃燒過(guò)程產(chǎn)生的碳煙，本文在多種燃燒負(fù)荷的操作條件下，由碳煙生成的機(jī)理和數(shù)學(xué)模型，對(duì)某重型燃?xì)廨啓C(jī)的實(shí)際燃燒及其所產(chǎn)生的碳煙過(guò)程和規(guī)律進(jìn)行了Fluent軟件的CFD數(shù)值研究。用燃燒室的出口溫場(chǎng)的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相對(duì)比，間接驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的有效性。

1 燃燒室三維幾何模型

圖1為某重型燃?xì)廨啓C(jī)的環(huán)管燃燒室結(jié)構(gòu)圖，主要由錐形外殼、燃燒室外殼及位于燃燒室外殼環(huán)腔內(nèi)沿圓周分布的20個(gè)火焰筒、噴嘴組件、燃油總管等組成。在環(huán)管燃燒室頭部沿周向均勻安裝的8個(gè)離心式壓力燃油噴嘴組成了副油路；在環(huán)管燃燒室頭部的中央軸線上安裝的離心式壓力燃油值班噴嘴構(gòu)成主油路，以穩(wěn)定火焰。燃燒室可在2種模式下運(yùn)行：中心主油路燃燒模式1，周向環(huán)形副油路和中心主油路的共同燃燒模式2。對(duì)燃燒室的流體模型進(jìn)行了合理的簡(jiǎn)化，氣膜孔采用了相同面積的環(huán)縫來(lái)代替。燃油經(jīng)壓力霧化噴嘴形成扇形的油霧椎，在燃燒室頭部與旋流空氣形成旋流擴(kuò)散式燃燒。

由于燃燒室的復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)，采用Gambit軟件進(jìn)行26個(gè)分體結(jié)構(gòu)的非結(jié)構(gòu)混合網(wǎng)格剖分?？偩W(wǎng)格數(shù)210多萬(wàn)，其UG造型和網(wǎng)格剖分見(jiàn)如圖2。其中三維尺寸分別為長(zhǎng)×寬×高＝1 006 mm× 464.3 mm×545 mm，空氣噴嘴內(nèi)徑Φ1＝20 mm，主油路油噴嘴內(nèi)徑Φ2＝18mm，副油路噴嘴直徑Φ3＝15 mm。

2 碳煙生成數(shù)學(xué)模型與計(jì)算條件

碳煙形成過(guò)程為［1］：在燃燒的高溫貧氧環(huán)境下，烴燃料的分子首先發(fā)生熱裂解，形成氣相的前驅(qū)物單環(huán)芳香烴，單環(huán)芳香烴生長(zhǎng)成為多環(huán)多核芳香族化合物PAHs；多環(huán)多核芳香烴通過(guò)與其它碳?xì)浠衔锝Y(jié)合和核化，形成碳煙的初始粒子；碳煙初始顆粒碰撞合并成更大的碳煙顆粒；通過(guò)與其它碳?xì)浞肿臃磻?yīng)，碳煙顆粒增加尺寸，在表面生長(zhǎng)；最終顆粒之間碰撞形成不規(guī)則的外形顆粒團(tuán)。顆粒與氧化性基團(tuán)反應(yīng)，減小尺寸，表面氧化。因?yàn)樵谌紵^(guò)程中碳煙的形成與局部燃料過(guò)多、溫度過(guò)高因素有關(guān)，因此碳煙模型需要在燃燒流場(chǎng)基礎(chǔ)上進(jìn)行求解。

2.1 控制方程組

燃燒室中的湍流燃燒反應(yīng)流數(shù)學(xué)模型主要包括湍流模型、湍流燃燒模型和輻射模型。描述湍流燃燒反應(yīng)流封閉微分方程組的通用張量表達(dá)式如下：

2.2 碳煙生成模型

2.2.1 一步模型（One-step）

一步模型［10］中碳煙濃度的輸運(yùn)模型為：

式中：Ysoot為碳煙的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；σsoot為碳煙輸運(yùn)的紊流普朗特性系數(shù)；Rsoot為碳煙形成的凈速度，是碳煙的形成速度Rsoot，form和碳煙的燃燒速度Rsoot，comb之差。

式中：CS為碳煙的形成常數(shù)，Pfuel為燃料顆粒壓力，φ為當(dāng)量比，r為當(dāng)量比指數(shù)，E／R為活化溫度。碳煙燃燒速率是以下兩個(gè)速度表達(dá)式中的最小值：

2.2.2 二步模型（Two-step）

二步模型［8］是先預(yù)測(cè)基本粒子的生成。在此基礎(chǔ)上，再?；玖Ｗ颖砻娴奶紵熒?，建立碳煙濃度Ysoot與基本粒子濃度b*nuc間的函數(shù)關(guān)系?；玖Ｗ拥妮斶\(yùn)模型為：

式中：mρ為煙灰粒子平均質(zhì)量，為煙灰粒子濃度，為基本粒子濃度，α、β為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

綜上所述，二步法模型要先求解碳基本粒子的形成與分支模型，然后再求解碳煙模型。二個(gè)模型之間分別通過(guò)各自的形成源項(xiàng)相互耦合。模型中的有關(guān)常數(shù)因在FLUENT軟件中為默認(rèn)值。碳煙生成濃度的數(shù)值計(jì)算采用燃燒計(jì)算收斂后的后處理算法。

2.3 計(jì)算工況和計(jì)算條件

圖3表示的是某重型燃?xì)廨啓C(jī)的燃油分配圖。在數(shù)值模擬的過(guò)程中分別取相對(duì)功率Ne為0、0.30、0.843和1.0。

不同工況下燃油和空氣量試驗(yàn)分配量由表1所示。Ne＝0和Ne＝0.3時(shí)由環(huán)形區(qū)域的8個(gè)油噴嘴組成的副油路供油；Ne＝0.834和Ne＝1時(shí)中心主油路和副油路同時(shí)供油，環(huán)形噴嘴每一個(gè)噴嘴的供油量為環(huán)形區(qū)油量的1／8。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 碳煙形成與氧化的模型研究

根據(jù)碳煙形成與氧化的機(jī)理和數(shù)學(xué)模型，本文取4種不同的試驗(yàn)功率Ne，見(jiàn)表1。分別用一步法模型和二步法模型對(duì)碳煙濃度進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，當(dāng)計(jì)算精度均取10－5時(shí)，碳煙濃度的計(jì)算截面見(jiàn)圖4～圖5。

依圖中的計(jì)算結(jié)果，將燃燒室均依次分為主燃區(qū)、中間區(qū)、摻混區(qū)和出口段等4部分。圖4和圖5中的4條垂直細(xì)實(shí)線表示各區(qū)的出口斷面，分別為主燃區(qū)出口斷面1、中間區(qū)斷面2、摻混區(qū)出口斷面3和出口段的出口斷面4。各斷面的計(jì)算結(jié)果均值列于表2。

由圖4（a）和圖5（a）可見(jiàn)，對(duì)應(yīng)各Ne值，燃燒室頭部的燃油壓力霧化噴嘴所噴射的燃油尚未與旋流空氣完全混合，而未實(shí)現(xiàn)在主燃區(qū)內(nèi)的完全燃燒。所以一步法和二步法模型計(jì)算的高碳煙濃度生成均主要在主燃區(qū)。主燃區(qū)內(nèi)所產(chǎn)生的高溫燃?xì)庑鲄^(qū)內(nèi)，在接近副油路燃油噴嘴附近，由于高溫缺氧條件，形成了所謂的煙口袋。在這個(gè)煙口袋內(nèi)，隨著燃燒功率的增大，供油量逐漸開(kāi)始增加，碳煙的生成量也隨之增大，Ne＝1.0時(shí)碳煙的生成濃度最大。一步法計(jì)算得到的碳煙濃度最大值為1 100mg／m3；二步法計(jì)算得到的碳煙濃度最大值為685 mg／m3?？梢?jiàn)，本文研究的某重型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的主燃區(qū)是富油設(shè)計(jì)。在隨后的中間區(qū)和摻混區(qū)，隨著碳煙被逐漸氧化，碳煙濃度逐漸降低。直到出口斷面，碳煙幾乎被氧化殆盡。由圖4（b）和圖5（b）可見(jiàn)，當(dāng)Ne＝0.834時(shí)，主副油路同時(shí)供油，且副油路供油量適當(dāng)增大時(shí)，出口碳煙呈雙渦分布，趨于均勻化，燃燒室出口溫場(chǎng)也趨于均勻化。

圖6為滿負(fù)荷狀態(tài)下的出口溫場(chǎng)實(shí)測(cè)值［11］與計(jì)算值的對(duì)比圖。由圖可見(jiàn)，滿負(fù)荷時(shí)工作時(shí)，除了出口中心區(qū)以外，計(jì)算溫度場(chǎng)與實(shí)測(cè)值基本符合。因?yàn)槿狈μ紵煹膶?shí)測(cè)數(shù)據(jù)，所以將本文的碳煙計(jì)算結(jié)果與民航型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)RB211燃燒室內(nèi)碳煙實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了相似規(guī)律的比較，各斷面的碳煙濃度分布規(guī)律相類(lèi)似［3］。一步法碳煙濃度的計(jì)算結(jié)果均高于相同斷面的二步法，主要因?yàn)樘紵煗舛鹊臄?shù)學(xué)模型主要由碳煙生成與氧化兩個(gè)因素綜合作用的結(jié)果。

3.2 燃燒室功率Ne影響碳煙排放分析

在碳煙生成模型研究基礎(chǔ)上，由于碳煙在燃燒室內(nèi)進(jìn)一步氧化燃燒，使碳煙濃度降低。圖7和圖8分別是一步法和二步法Ne＝0、0.3、0.834和1.0四種工況下各橫截面碳煙排放的濃度曲線。圖9為民航型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)RB211的主燃區(qū)、中間區(qū)、摻混區(qū)和出口等4個(gè)斷面的碳煙濃度試驗(yàn)均值分布的實(shí)測(cè)值曲線［3］。

由圖7和圖8可見(jiàn)，斷面1和斷面2的出口碳煙生成濃度都較高，表明該重型燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室主燃區(qū)和中間區(qū)的碳煙生成速度高于碳煙的氧化速度。碳煙濃度隨著相對(duì)功率Ne的提高而增大。摻混區(qū)的碳煙濃度由于其氧化燃燒速度大于其生成速度而逐漸降低，直至出口處的碳煙排放量很小，絕大多數(shù)碳煙被氧化燃燒殆盡。其中，按照密度加權(quán)平均的碳煙濃度，在燃燒室出口處，Ne＝1.0時(shí)碳煙排放濃度最大。一步法模型時(shí)為0.073 mg／m3，二步法模型時(shí)為0.007 mg／m3。按冒煙數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式折算［6］，一步法出口冒煙數(shù)SN為0.86，二步法出口冒煙數(shù)SN為0.082。由于缺乏試驗(yàn)研究數(shù)據(jù)，所以該冒煙數(shù)SN的計(jì)算結(jié)果尚有待于試驗(yàn)驗(yàn)證。但從圖9中碳煙濃度的試驗(yàn)分布曲線分析，對(duì)于相應(yīng)位置的燃燒室各斷面而言，本文的燃燒室碳煙分布計(jì)算曲線與民航型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)RB211的碳煙實(shí)測(cè)曲線有相同的變化規(guī)律。

4 結(jié)論

本文對(duì)某重型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的碳煙生成和排放進(jìn)行了模型研究和數(shù)值計(jì)算，對(duì)在多種功率下燃燒室出口處的碳煙排放進(jìn)行了數(shù)值分析，得出以下的結(jié)論：

（1）主燃區(qū)在接近副油路燃油噴嘴附近，由于高溫缺氧條件，形成了所謂的煙口袋。隨著Ne的增大，供油量逐漸增加，碳煙的生成量也隨之增大。某重型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的主燃區(qū)是富油設(shè)計(jì)，是碳煙生成的主要場(chǎng)所。

（2）一步法和二步法模型各斷面的碳煙濃度計(jì)算結(jié)果有相同的分布規(guī)律。一步法模型的碳煙濃度預(yù)測(cè)值高于二步法模型。雖然碳煙的生成和氧化規(guī)律、分布規(guī)律與某民航型號(hào)機(jī)的實(shí)測(cè)結(jié)果相似，但尚有待于試驗(yàn)驗(yàn)證。

（3）某重型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室出口的碳煙濃度是燃燒室內(nèi)碳煙生成和氧化兩個(gè)因素綜合作用的結(jié)果。在相同的計(jì)算精度下，二步法比一步法的碳煙排放濃度低。最大功率下的最大冒煙數(shù)SN在0.082～0.86之間。出口處徑向溫度分布計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值基本符合。

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Study on Formation and Exhaust of Soot for a Heavy Duty Gas Turbine

WANG Li-jun1，YANG Hai-feng2，SUN Yuan-wei3，YIN Song-kai3
（1.Energy and Environment College，Shenyang Aerospace University，Shenyang 110136，China；2.Faculty of Aerospace Engineering，Shenyang Aerospace University，Shenyang 110136，China；3.AVIC Shenyang Liming Aero-Engine（Group）Corporation Ltd，Shenyang 110043，China）

The rule of soot formation and emitted concentration had been three-dimensional simulated and analyzed for a heavy-duty gas turbine combustor undermulti-power load by using one-step and two-step model respectively for studying the formation and emission laws of soot pollutant.Gas phase turbulent flow is simulated by Realizable k-εmodel，random movementof liquid fuel atomization particles are simulated by Lagrange random walkmodel，and PDF combustionmodel is used tomodel combustion reaction.Numerical calculation had used SIMPLE pressure-velocity coupled method and second order upwind difference schemes.The calculation results show that themain reaction zone in combustor is fuel rich design and the main place of soot formation.The maximum combustor exhaust smoke number SN is between 0.082～0.86.These results contribute the theoretical basis for the soot formation rule and calculation method.

heavy duty gas turbine；combustion chamber；numerical simulation；soot；exhaust smoke number

TK474

A

1009-2889（2014）03-0019-07