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湿空气钝体扩散燃烧火焰结构与稳定性研究

顾欣  
【摘要】: 湿空气燃烧是湿空气透平(HAT)循环和注蒸汽燃气轮机(STIG)循环的一个主要特征。湿空气动力循环涉及的工质含湿量比自然界常规湿空气大得多,高湿度燃烧可能会发生燃烧不稳定,同时燃烧火焰的流场以及结构会发生改变,因此为使HAT循环、IGCC能够得以推广应用,湿空气燃烧是必须攻克的关键技术之一。 本文通过实验和数值模拟方法对湿空气扩散燃烧火焰结构与稳定性进行了研究。通过建立湿空气燃烧机理性实验台,采用粒子图像测速仪(Particle Image Velocimetry,PIV)非接触式激光测试手段对两种结构(90度和60度的)钝体后甲烷/空气以及湿空气的回流扩散燃烧的热态速度场分别进行了实验研究。在国内首先尝试了基于激光诊断技术的火焰湍流状态的定量研究,实现了钝体火焰内部的瞬时速度场,统计平均速度场,均方根速度场和雷诺切应力的定量分析。详细研究了湿度对钝体扩散燃烧火焰稳定性的影响,揭示了湿空气燃烧下的稳定机理,建立了具有普遍应用价值的火焰稳定性分析方法。同时本文进行了钝体扩散燃烧进行数值模拟,通过与实验结果对比,改进了适用于钝体扩散燃烧的湍流模型表达。在此基础上采用三种扩散燃烧模型对火焰的组分、速度和温度场进行数值模拟,研究了不同湿度情况下火焰的温度和浓度分布特性。 为研究湿空气对燃烧火焰的影响,首先考察了钝体后不加湿甲烷/空气扩散燃烧回流速度场特征。实验研究表明:(1)燃空速度比( V f / Va)是影响火焰燃烧状态的一个重要参数,随燃空速度比的改变,将依次出现回流燃烧火焰、过渡火焰、中心射流主导火焰和局部熄火火焰等四种不同的火焰结构;(2)回流燃烧火焰的中心轴线上存在两个滞止点,滞止点之间呈反向逆流,一旦滞止点消失火焰的中心射流穿透了回流区,表明火焰转变为中心射流主导火焰;(3)回流燃烧瞬时速度场统计分析表明,回流前滞止点、最小速度点以及最小速度值基本遵循正态分布规律。随着燃料注入速度增大,前滞止点和最小速度点均向下游移动,最小速度值减小;(4)钝体结构也是影响火焰燃烧状态和流场的重要参数。90度和60度钝体流场特性的对比表明,60度钝体的回流涡较窄,中心燃料更容易穿透回流区。 本文在加湿燃烧激光可视化流场测量中,获得了湿空气燃烧的流场特性和湿空气燃烧的稳定性区域分布图。实验表明,(1)湿空气燃烧与不加湿燃烧一样也存在着三种稳定的火焰结构(回流燃烧火焰、过渡燃烧火焰和中心射流主导火焰)和一种不稳定的火焰结构(局部熄火火焰)。但在相同的燃空速度比情况下,湿空气燃烧的中心轴线的轴向速度比不加湿燃烧的大,回流区缩短,回流强度减弱。(2)湿空气燃烧的稳定性变差,不同稳定性分布区域转变的临界燃空速度比小于同样情况下不加湿燃烧的燃空速度比。火焰更容易由回流燃烧状态过渡到中心射流主导火焰的燃烧状态,也更容易产生局部熄火。(3)湿空气火焰的环流空气速度及其速度梯度比不加湿燃烧的偏小,由此导致钝体后回流区长度缩短是湿空气的穿透极限降低的一个原因。(4)湿空气的摩尔质量较小使得湿空气的动量减小也促使回流减弱的原因之一。此外,水蒸气的稀释作用和化学反应均使湿空气中氧原子减少,从而中心燃料需要更多的氧化剂参与反应,对应的湿空气的临界速度要提高并更容易产生熄火。 本文对钝体扩散燃烧进行数值模拟中,通过计算数据与实验结果对比将标准k ?ε模型Cε2由标准值1.92调整到1.83使之更加符合钝体燃烧流场的描述。湍流模型改进后中心轴线速度衰减有所缓解,同时回流区长度仍然与测量结果相吻合。鉴于flamelet化学反应模型能够预测中间基组分的浓度,也被作者所采用。本文使用的k ?ε湍流模型Cε2 =1.83和flamelet化学反应模型对含湿量为0%、10%和20%的火焰结构进行模拟。结果表明,水蒸气的加入严重影响燃烧火焰的温度场和浓度场。在湿空气燃烧情况下火焰的温度峰值较低,同时主要组分CH4、O2、H2O、CO2和CO的分布受到很大的影响,次要组分OH和O均随含湿量的增大而降低。 湿空气燃烧的火焰结构以及影响火焰结构的参数与常规燃烧规律相似。但火焰燃烧稳定性下降趋势很明显,这是湿空气燃烧的火焰内部流动、化学反应和传热传质都发生了复杂变化的结果。因此在设计中,不能简单沿用常规燃烧器的设计标准,而需要根据湿空气燃烧火焰特征进行有针对性的设计才能满足实际的工程要求。这一点对于HAT循环或IGCC的燃烧室的设计而言是十分重要的。


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