陈立,李祥晟,杨诏,卢炼

(西安交通大学能源与动力工程学院,710049,西安)



气流入口条件对低旋流燃烧火焰稳定性的影响

陈立,李祥晟,杨诏,卢炼

(西安交通大学能源与动力工程学院,710049,西安)

为了研究低旋流燃烧器在喷嘴出口气流平均速度为10.12～19.12 m/s、入口温度为300～500 K、入口压力为101.325～8×101.325 kPa条件下的火焰稳定性,对当量比为0.7的甲烷空气预混气体进行了数值模拟,分析了低旋流燃烧器的流场结构及火焰特性,揭示了燃烧稳定的根本原因。结果表明:低旋流燃烧器流场结构受气流入口条件的影响较小,且能够保持自相似特性;轴向和径向速度延伸率以及虚拟原点的位置基本不受气流入口条件的影响;低旋流燃烧器流场随喷嘴出口气流平均速度、入口压力的增加,回火的可能性减小,随入口温度的提高,回火的可能性增大。综合而言,低旋流燃烧器能够在较宽气流入口条件下保持火焰锋面稳定,有利于燃烧器的稳定工作。

低旋流燃烧;自相似特性;火焰锋面;回火

目前,燃气轮机普遍采用干式低排放燃烧技术来降低NOx排放。作为一种新型的低排放燃烧技术,低旋流燃烧技术(LSC)具有燃烧稳定、NOx排放极低、不易回火及吹熄等[1]特点,应用前景广阔。

Chan等最早提出低旋流燃烧的概念,并利用切向射流产生低旋流,从而稳定湍流预混火焰[2]。Johnson等通过实验对比了高、低旋流燃烧的流场结构及NOx排放,发现低旋流燃烧流场不存在强烈的回流区,同时指出在保持CO排放基本不变的前提下,低旋流燃烧的NOx排放比高旋流燃烧降低大约60%[3]。Cheng等通过实验研究了常温、常压下低旋流燃烧的流场结构,发现在不同速度下流场保持自相似特性,火焰锋面不会随速度的变化而发生较大移动[4]。Littlejohn等通过实验研究了常温、常压下低旋流燃烧的燃料适应性,发现低旋流燃烧器无需进行较大改变即可适用于多种烷烃燃料[5]。Cheng等研究了常温、常压下燃烧室几何结构对低旋流燃烧流场结构及火焰特性的影响,发现燃烧室直径对中心回流区的大小及强度影响较大[6]。Neumayer采用涡耗散概念(EDC)模型和预混燃烧模型对低旋流燃烧进行了数值模拟,发现采用预混燃烧模型的模拟结果与实验更加吻合[7]。

国内学者在低旋流燃烧方面也展开了相应研究。尹航等研究了不同安装角下低旋流燃烧器的吹脱极限,发现在旋流器安装角较大时,燃烧器稳定火焰的能力受当量比的影响较大[8]。柳伟杰等研究了当量比对LSC流场及火焰特性的影响,发现在富燃条件下,随当量比增加,火焰托举高度逐渐增大[9]。

由目前已有的研究文献可以看出,大多数关于LSC的实验研究和数值模拟都建立在常温、常压的基础上,高温、高压下LSC的流场结构及火焰稳定性仍不清楚。工业燃机燃烧室一般工作在高温、高压环境,因此亟需开展相应条件下低旋流燃烧的火焰特性及其稳定性的研究。基于此,本文采用数值模拟方法,在考虑了不同入口速度、温度、压力对LSC的流场结构、自相似特性影响的情况下,分析了LSC的火焰特性,研究了LSC的回火性及火焰稳定性,揭示了LSC燃烧稳定的根本原因,以期为理解LSC在高温、高压环境下的燃烧特性及其在燃机燃烧室中的进一步应用奠定基础。

1 燃烧器数值模拟

1.1 低旋流喷嘴

以美国劳伦斯伯克利国家实验室Cheng采用的低旋流喷嘴[4]为参考,构建同尺寸几何模型,如图1所示。低旋流喷嘴由中心通道及旋流器组成,在中心通道下方安装一多孔挡板。中心通道半径Rc=20 mm,喷嘴出口半径Rs=31.7 mm,旋流器叶片安装角α=42°,旋流器长度Ls=28 mm,中心通道长度Lc=48 mm,气流混合通道长度Li=95 mm,喷嘴出口保持45°倾角。预混气流通过低旋流喷嘴,一部分由旋流通道产生高速旋流,另一部分直接通过中心通道,二股气流经混合通道相互作用后进入半径为100 mm、高度为450 mm的圆柱形燃烧室。

图1 低旋流喷嘴几何模型

气流的旋流强度采用旋流数S[1]来表示,即

(1)

式中:R为Rc与Rs之比;m为通过中心通道的质量流量mc与通过旋流通道的质量流量ms之比。通过计算得到该旋流器的旋流数S=0.58.

1.2 网格划分及边界条件

本文采用商业软件Fluent对当量比为0.7的甲烷空气预混气体进行数值计算,共考虑了3组冷态工况和7组热态工况,具体条件见表1,其中U0=Q/A为喷嘴出口气流平均速度,Q为通过喷嘴的体积流量,A为喷嘴出口截面积。湍流模型采用(Realizable)k-ε模型,近壁面处采用标准壁面函数法求解,组分模型采用部分预混燃烧模型,燃烧机理采用甲烷22组分简化机理[10]。

表1 甲烷空气预混气体计算工况

采用文献[11]方法设置了入口边界条件。低旋流喷嘴的入口边界均设为质量流量入口,出口边界设为压力出口。计算时采用结构化网格,如图2所示,经网格无关性验证,最终确定网格数为120万。

图2 低旋流喷嘴和燃烧室整体计算网格

2 结果分析

2.1 LSC流场结构

图3给出了流动3和火焰3在中心平面上的相对轴向速度U/U0分布云图。可以看到:通过中心通道的气流无旋流产生,在喷嘴出口形成平整的低速区;通过旋流通道的气流产生高速旋流运动,并在喷嘴出口开始扩张,形成高速剪切区。

(a)冷态,流动3 (b)热态,火焰3图3 中心平面相对轴向速度分布云图

随着轴向距离的增加,U/U0逐渐减小至0,在远离喷嘴出口的下游回流开始产生,冷态和热态中对应的位置分别为x=110 mm和x=150 mm。在剪切区的外侧,高速旋流卷吸其周围的气流,在靠近燃烧室壁面附近形成角回流区。与冷态相比,热态气流扩张角更大,中心回流区靠后,角回流区靠前。

2.2 U0、T0、P0对LSC流场自相似特性的影响

2.2.1 径向分布 图4给出了x=20 mm平面上在不同气流入口条件下U/U0的径向分布。由图4a可以看到,在不同U0条件下,U/U0曲线几乎重合,体现了LSC流场的自相似特性。在±34 mm处,曲线出现波峰,轴向速度达到最大,与旋流通道出口的高速剪切区对应。在-20 mm

图5给出了x=20 mm平面上在不同气流入口条件下相对径向速度V/U0的径向分布图。由图5a可以看到,在±34 mm处,曲线出现波峰,由于旋流器的省略,V/U0曲线在波峰处的模拟值较实验值略微偏大。在-20 mm

2.2.2 轴向分布 在分析轴向速度分布时常引入虚拟原点x0[4]作为坐标原点,其定义如图6所示。

根据喷嘴出口附近相对轴向速度线性段的斜率反推可得x0的位置,而U/U0曲线在喷嘴出口线性段的斜率即为轴向速度延伸率ax。

图7给出了中心轴线上不同气流入口条件下相对轴向速度的轴向分布图。从图7a中可以看到,在

(a)不同U0条件下 (b)不同T0条件下 (c)不同P0条件下图4 相对轴向速度的径向分布

(a)不同U0条件下 (b)不同T0条件下 (c)不同P0条件下图5 相对径向速度的径向分布

图6 虚拟原点x0定义

20 mm

(a)不同U0条件下 (b)不同T0条件下 (c)不同P0条件下图7 相对轴向速度的轴向分布

通过上面的分析可以看到,采用部分预混燃烧模型得到的数值模拟结果与实验值吻合较好,能够很好地反映LSC的流场结构,同时U0、T0、P0对LSC流场径向和轴向的速度分布影响较小,且能够保持自相似特性,这就是稳定燃烧的内在原因。

2.3 U0、T0、P0对LSC火焰特性的影响

表2给出了LSC火焰的各项参数。由文献[12]可知,火焰锋面稳定在火焰传播速度等于气流速度的位置,即

(2)

表示在低旋流喷嘴出口,由于气流的扩张运动,使得轴向速度U0逐渐减小,且在火焰锋面位置xf处与火焰传播速度相等,达到火焰稳定。在分析火焰稳定性时,ax和x0是2个非常重要的参数。ax为LSC流场中U/U0曲线在喷嘴出口处的斜率,斜率越大,轴向速度下降得越快,当火焰传播速度等于气流速度时,火焰锋面距离喷嘴出口越近,回火就越容易;斜率越小,火焰锋面距离喷嘴出口越远,回火就越不易。虚拟原点x0的位置对应LSC流场中U/U0曲线下降的起点,x0的位置距离喷嘴越远,火焰锋面位置距离喷嘴出口越近,回火就越容易;相反,火焰锋面位置距离喷嘴出口越远,回火就越不易。从表2中可以看到,ax及ar的大小仅与冷、热态相关,与气流入口条件无关。相同条件下ax约等于ar的2倍,与文献[4]中的研究结果一致。虚拟原点x0的位置随U0、T0的增加而逐渐远离喷嘴,但移动程度较小,随P0的增加几乎不变,说明虚拟原点x0受气流入口条件的影响较小。

表2 LSC火焰各项参数

注:ST为湍流火焰速度;SL为层流火焰速度。

在分析了U0、T0、P0对ax、ar、x0的影响后,本文进一步研究了气流入口条件对火焰回火及火焰锋面位置的影响。当xf-x0=0时,燃烧室发生回火,xf-x0就是火焰锋面相对虚拟原点的位置,因此U0、T0、P0变化对xf-x0的影响至关重要。在LSC流场中,湍流火焰速度ST与层流火焰速度SL、湍流脉动速度u′之间存在如下关系

(3)

对于甲烷燃料,k=2.16[4]。由式(2)、(3)可得

(4)

表2中SL的范围约为0.15～0.55 m/s,与U0相比小1到2个数量级。由此可以推知:随U0、P0的增加SL/U0的减小量较小,xf-x0的增量较小;随T0的增加SL/U0的增量较小,xf-x0的减小量较小。该结果与表2中的结果也是一致的,由此可得,LSC在U0=10.12～19.12 m/s、T0=300～500 K、P0=101.325～8×101.325 kPa条件下,xf-x0变化不大,火焰锋面可以保持稳定,这也是LSC流场能够稳定燃烧的根本原因。

3 结 论

本文采用数值模拟方法研究了不同U0、T0及P0对低旋流燃烧火焰稳定性的影响,分析了低旋流燃烧的流场结构及火焰特性,得出的主要结论如下。

(1)U0、T0、P0对LSC流场轴向和径向速度分布影响较小,且能保持自相似特性。

(2)ax、ar及x0几乎不受气流入口条件的影响。

(3)LSC流场随U0、P0的增加回火的可能性减小,随T0的增加回火的可能性增大。

(4)低旋流燃烧器在U0=10.12～19.12 m/s、T0=300～500 K、P0=101.325～8×101.325 kPa条件下,火焰锋面可以保持稳定,有利于燃烧器的稳定工作。

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(编辑 苗凌)

Effects of Inlet Conditions on Low Swirl Combustion Flame Stability

CHEN Li,LI Xiangsheng,YANG Zhao,LU Lian

(School of Energy and Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

A numerical simulation of premixed methane-air gas at equivalence ratio 0.7 was conducted to investigate the flame stability of the low swirl combustion under the conditions of different bulk velocity from 10.12 m/s to 40.00 m/s, inlet temperature from 300 K to 500 K and inlet pressure from 101.325 kPa to 8×101.325 kPa. Mechanism of the combustion stability was revealed by analysis of flow field structure and flame characteristics of the low swirl injector. The results show that the bulk velocity, inlet temperature and inlet pressure exert small influences on the flow field structure, so the self-similar characteristics of the low swirl combustion remain. The mean axial aerodynamic stretch rate, the mean radial aerodynamic stretch rate and the virtual origin are almost not affected by the inlet conditions, which facilitates protecting the stability of flame front. The possibility of backfiring reduces with the increasing bulk velocity or the inlet pressure, while the possibility of backfiring increases with the increasing inlet temperature. The flame front of low swirl combustion retains its stability under wider inlet conditions.

low swirl combustion; self-similar characteristics; flame front; backfire

10.7652/xjtuxb201605017

2015-12-08. 作者简介:陈立(1992—),男,硕士生;李祥晟(通信作者),男,讲师.

时间:2016-03-01

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20160301.1015.004.html

TK47

A

0253-987X(2016)05-0114-06