以天然氣為燃料的燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室燃燒場數(shù)值模擬

彭春梅 李鵬 王建輝 趙堅勇

摘要：某燃?xì)廨啓C(jī)以天然氣為燃料，對其燃燒室燃燒流場進(jìn)行數(shù)值模擬，得到典型工況的速度場、溫度場、CO2分布，總結(jié)了燃燒室出口溫度不均勻度、燃燒效率的變化規(guī)律。結(jié)果表明：旋流器的導(dǎo)向作用明顯，在火焰筒頭部出現(xiàn)了明顯的回流區(qū)，有利于火焰穩(wěn)定;隨著工況升高，燃燒室出口平均速度增大、CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，燃燒效率提高;燃燒室出口溫度分布均勻，摻混孔的摻混效果較好。

關(guān)鍵詞：天然氣;燃?xì)廨啓C(jī);燃燒室;數(shù)值模擬;燃燒

中圖分類號：TK472? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）06-0006-02

0  引言

燃?xì)廨啓C(jī)廣泛應(yīng)用于機(jī)械驅(qū)動、發(fā)電等工業(yè)領(lǐng)域[1]，隨著市場需求增大，考慮環(huán)保要求[2-3]，天然氣作為清潔燃料具有廣闊的應(yīng)用前景。燃燒室是燃?xì)廨啓C(jī)核心部件，其綜合性能直接影響整機(jī)性能及安全性，利用基于計算流體動力學(xué)（CFD）的數(shù)值方法研究，可有效縮減燃燒室研制周期和研制費(fèi)用[4]。

本文對以天然氣為燃料的某燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的燃燒流場進(jìn)行數(shù)值模擬研究，通過分析速度場、溫度場及CO2的分布趨勢，總結(jié)燃燒室出口溫度不均勻度、燃燒效率在典型工況的變化規(guī)律，為該燃燒室的改型及結(jié)構(gòu)優(yōu)化積累了經(jīng)驗。

1? 研究對象

該燃燒室為逆流環(huán)管式結(jié)構(gòu)，含16個火焰筒和噴油嘴。選取燃燒室1/16的扇形部分進(jìn)行建模，包含單個火焰筒，對于扇形部分的前后兩個邊界，計算過程中采用FLUENT進(jìn)行處理。

2? 計算方法

2.1 邊界條件

①空氣入口邊界：給定來流空氣的質(zhì)量流量、溫度、壓力、湍流度、水利直徑、混合分?jǐn)?shù)及其方差;

②燃料入口邊界：燃料為天然氣，計算時采用CH4作為替代分子式，給定其質(zhì)量流量、溫度、壓力、湍流度、水利直徑等;

③燃燒室出口邊界：給定出口壓力、回流溫度等;

④壁面：按絕熱且無滑移條件處理;

⑤周期性邊界：在環(huán)形周期邊界上，所有獨立變量按周期性處理。

2.2 計算網(wǎng)格

采用GRIDGEN對三維幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。燃燒室結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，共生成網(wǎng)格數(shù)約200萬。

3? 結(jié)果與分析

在3個典型工況（0.2Ne、0.6Ne、1.0Ne）下，得出了燃燒室的速度場、溫度場、CO2分布，并計算得到燃燒效率。

3.1 速度場

圖1為各工況的速度分布。由圖1可見：流場為不均勻的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)?；鹧嫱差^部旋流器的導(dǎo)向作用明顯，氣流流線呈現(xiàn)不對稱分布。在火焰筒頭部出現(xiàn)了明顯的回流區(qū)，有利于火焰穩(wěn)定。不同工況下燃燒室內(nèi)速度分布基本一致，在火焰筒頭部由旋流器和主燃孔空氣形成的回流區(qū)大小也基本一致。隨著工況升高，燃燒室負(fù)荷增加，出口平均速度增大。這主要是由于隨著工況升高，燃燒室入口流量增大，入口總溫同時增大引起的。

3.2 溫度場

圖2為各工況的溫度分布。由圖2可見：高溫區(qū)主要分布在回流區(qū)及邊緣附近，溫度超過1500K，有利于火焰穩(wěn)定;主燃孔的補(bǔ)燃效果明顯，主燃孔與摻混孔之間形成另一個高溫區(qū)，燃燒室內(nèi)的最高溫度超過2500K。不同工況時火焰筒內(nèi)的溫度分布基本一致。從摻混孔進(jìn)入的空氣對高溫燃?xì)獾膿交煨Ч^好，火焰筒后半部溫度逐漸趨于均勻。

表1為燃燒室出口溫度不均勻度OTDF。由表1可見，燃燒室出口溫度的均勻性較好，有利于延長渦輪葉片的壽命。

3.3 CO2分布

圖3為各工況的CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布。由圖3可見：火焰筒內(nèi)的CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布趨勢與溫度分布趨勢相吻合;燃燒室出口CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著工況的升高而增大。原因在于工況升高后，天然氣流量增大，燃燒產(chǎn)物增多。

3.4 燃燒效率

表2所示為各工況的燃燒效率，3個工況的燃燒效率均在96～99.9%，燃燒性能良好。燃燒效率隨著工況的升高而提高，1.0工況時達(dá)到99.9%。說明該負(fù)荷下燃料與空氣的摻混效果很好，燃燒更為充分，促進(jìn)燃燒效率升高。

4? 結(jié)論

①旋流器的導(dǎo)向作用明顯，火焰筒頭部出現(xiàn)明顯的回流區(qū)，有利于火焰穩(wěn)定。

②隨著工況的升高，燃燒效率提高，燃燒室出口的平均速度增大、CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，火焰筒內(nèi)的CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)與溫度分布趨勢相吻合。

③燃燒室出口溫度分布均勻，摻混孔的摻混效果較好。

④燃燒室結(jié)構(gòu)合理，流場分布均勻，設(shè)計工況燃燒效率達(dá)到99.9%，燃燒性能較好。

參考文獻(xiàn)：

[1]曾文.重型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒過程的反應(yīng)動力學(xué)數(shù)值模擬[J].推進(jìn)技術(shù)，2015，36（5）：737-744.

[2]趙堅行.民用發(fā)動機(jī)污染排放及低污染燃燒技術(shù)發(fā)展趨勢[J].航空動力學(xué)報，2008，23（6）：986-996.

[3]蔣波.低排放駐渦燃燒室冷態(tài)流場特性試驗[J].航空動力學(xué)報，2013，28（8）：1719-1726.

[4]B.Zamuner.Numerical simulation of the reactive two-phase flow in a kerosene/air tubular combustor[J]. Aerospace Science and Technology，2002（6）：521-529.