燃气轮机燃烧室喷雾燃烧的数值研究.pdf

1、燃烧室是燃气轮机重要的热端部件，工作中燃烧室内会发生复杂湍流、回流、燃料喷射、雾化、蒸发和掺混、湍流燃烧以及辐射传热等过程。长期以来，燃气轮机燃烧室的设计主要借助于实验、半经验或半分析法。但随着燃烧室进出口温度的提高和温升越来越快，用于冷却火焰筒的空气量越来越少，同时对污染物的排放要求越来越严格，仅凭经验设计燃烧室很难达到要求，需要采用更准确的方法来预测燃烧室的性能。
　　随着计算机技术的提高以及数值模拟方法的不断完善，数值模拟方

2、法被越来越多的人认可，工程上比以往更加重视燃烧室的数值模拟，这对促进燃气轮机的发展具有重要意义。
　　燃油喷嘴是燃烧室的关键部件，其雾化性能直接影响到燃气轮机燃烧室的燃烧性能，因此，喷嘴雾化性能的研究是燃气轮机燃烧室喷雾燃烧研究的前提。本文针对某燃气轮机双路离心式燃油喷嘴，利用实验与数值模拟方法对其雾化性能进行了研究。实验测量了喷嘴丰、副油路以及主副油路在不同压力下的流量特性与雾化锥角，拍摄了喷嘴典型工况下的喷雾场照片，并利用二维

3、相位多普勒粒子分析仪(PDPA，phase Dopplerparticle analyzer)测量了雾化粒度。实验结果表明，该喷嘴丰、副油路流量特性、雾化锥角及雾化粒度均能达到该喷嘴的设计要求。
　　喷嘴的数值研究包括喷嘴内两相流流动和喷嘴外喷雾场两个方面。其中，喷嘴内两相流流动采用了FLUENT软件中VOF(volume of fluid)方法来模拟，计算结果较好地模拟出离心式喷嘴内的空气涡与喷雾锥角，并与实验结果吻合较好。喷嘴

4、外喷雾场采用FLUENT软件中LISA(linerized instability sheet atomization)模型和二次破碎TAB(Tayloranalogy breakup)模型进行模拟分析，模拟结果得出了不同供油压力下喷雾流场和索太尔平均直径SMD(Sauter mean diameter)，从而为燃烧计算提供了一定起始条件。
　　利用双路离心式喷嘴实验和数值研究所得的雾化参数结果，针对含有强旋流的某燃气轮机环形燃烧

5、室喷雾燃烧进行了数值研究。建立了燃气轮机燃烧室喷雾燃烧的物理模型，采用一定的湍流模型、非绝热简单概率密度函数燃烧模型、颗粒轨迹随机模型、离散坐标法辐射模型及灰体加权求和模型、热力型NO模型、CO生成模型及详细的化学反应机理（20种组分，41步化学反应机理）联合方法对其进行喷雾燃烧的数值模拟。计算方法采用SIMPLE(semi-implicit method for pressure-linked equations)算法求解压力-速度耦

6、合，其中，对流项采用二阶迎风格式，扩散项采用中心差分格式进行离散。分析了四种湍流模型及三种近壁处理方法对燃烧室燃烧性能的影响，得出了RNG k-e湍流模型与双层区近壁处理方法能够更合理地预测燃烧室内的流场分布。同时，验证了离散坐标法辐射模型在应用于旋流燃烧的可行性和准确性，并分析了壁面辐射率对燃烧室燃烧性能的影响，结果表明壁面辐射率对燃烧室内部流场、温度场及燃烧室出口温度分布影响较小，而对燃烧室污染物排放、壁面温度分布及液滴尺寸分布影响