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等离子体点火器湍流扩散燃烧数值模拟分析

李志华  
【摘要】: 等离子体点火器是等离子体技术在动力与能源工程领域中应用而产生的一种新型点火装置。在上世纪八十年代末,等离子体点火理论并不成熟的情况下,已经开始了航空与陆用燃气轮机燃烧室点火过程中的应用。同时等离子体点火技术在电厂煤粉燃料无油点火和稳定燃烧过程及在各类高温热工设备的燃料点火和燃烧工艺中已经开始了应用。 等离子体点火器的高密度能量对空气或可燃混合物进行热学作用,产生大量等离子体活性载体,使燃烧室点火的贫燃料和富燃料极限范围变宽,点火的可靠性增强。同时加速了化学反应,燃料燃烧效率提高,节约了燃料,而对燃烧室来说,燃烧的稳定性也增强了。 进入等离子体点火器内的空气和雾状燃料经历的过程非常复杂,它涉及气体湍流流动、传热、传质、化学反应、辐射等过程。对描述其过程的非线性控制微分方程组,到目前还无法用解析法解出。对于燃烧设备来说,如果不能深刻理解和准确描述其工作过程,就很难将其变成更有效工作的装置。 本文对等离子体点火器内燃烧过程进行了三维模拟。对实际的几何模型,建立了非预混湍流扩散燃烧数学物理模型,给出其控制微分方程组。 (1)对湍流模型,选用了标准κ-ε湍流模型,RNGκ-ε湍流模型,分别进行了模拟计算,分析和比较了速度场、湍流动能、湍动能耗散率计算结果。认为RNGκ-ε湍流模型考虑了强流线弯曲、旋涡和旋转作用,而对等离子体点火器更合适。 (2)对辐射传热过程,采用了离散传播辐射(DTRM)模型和离散坐标(DO)辐射模型,分别进行了模拟计算,分析和比较了温度场、速度场和吸收系数,(DO)辐射模型给出辐射温度分布。认为在离散坐标(DO)辐射模型中考虑了碳黑颗粒的影响、散射的影响,对局部热源问题可给出更好计算方法,因此可以更好地描述实际过程。 (3)运用湍流燃烧理论对等离子体点火器内湍流燃烧过程进行了分析和描述。采用局部化学平衡假设的快速化学反应系统,选定燃料、空气及中间产物共15种。将化学模型模拟出的平均混合分数、各组分的质量分数计算结果与燃烧学的基本理论相结合描述了系统燃烧化学的反应机理。 (4)采用大涡模拟和亚网格尺度模型,分析了不同时刻的温度场、速度场的发展进程。 (5)对等离子体点火器计算区域空间离散化引入贴体坐标系统,使用非结构化网格进行离散,用有限体积法离散控制方程,在交错的非结构化网格上使用了SIMPLE算法和SIMPLEC。对不同工况不同控制方程,使用不同离散格式。所选用的格式有:一阶迎风格式、二阶迎风格式和QUICK格式。


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