预混燃烧的燃烧模型

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预混燃烧的燃烧模型摘要为了达到抑制污染物排放，实现燃料的清洁燃烧的目的，人们采取了很多办法。“节能减排”促使燃烧系统采用贫燃燃烧技术，它具有降低NOx、CO等污染物，提高燃烧效率的作用。但这种燃烧方式的燃烧极限范围很窄，而且火焰稳定性差，容易诱发燃烧系统的不稳定性，如火焰的热声耦合振荡，这种不稳定性会造成更大的污染和浪费。新型燃烧器的设计必须克服这些缺点，以达到“节能减排”的目的。首先本文以FLUENT软件为平台，构建了合理的数学物理模型，对甲烷-空气预混燃烧过程进行了数值模拟，实验证明，贫燃料燃烧及贫氧燃烧都可以起到降低污染物排放的目的。并利用数值模拟的方法针对不同燃烧模型的情况下甲烷的预混燃烧的特性进行分析，观察其速度场、温度场、以及污染物（）的分布情况，发现预混燃烧的相关规律，寻求燃烧的最佳工况。其次本文了解不同燃烧模型对流场结构、燃烧结构的影响，与实验结果比较，探讨如何改进数值模拟，提高设计精度，同时找出预混火焰稳定性规律，探讨抑制燃烧不稳定性的策略。本文通过数值计算，得到了在不同燃烧模型下柱状燃烧室内甲烷燃烧的数值模拟结果，分析发现，燃烧模型的不同对甲烷燃烧特性的影响也不同。通过对燃烧速度分布图，火焰温度分布云图，燃烧的污染物NO的云图进行分析研究，得出结论。关键词预混燃烧数值模拟FLUENT部分预混燃烧TitlePre-mixingcombustioncombustionmodelAbstractInordertoachieveinhibitpollutants,realizefuelcleanburningpurpose,peopletakenalotofmeasures."Energyconservationandemissionreduction"promptedcombustionsystemusingpoorfuelcombustiontechnology,ithastoreducepollutantssuchasNOx,CO,increasethecombustionefficiencyrole.Butthiskindofcombustionwaycombustionlimitrangeisverynarrow,andflamestabilityispoor,andlikelytocausecombustionsysteminstability,suchasflameofthermoacousticoscillation,thecouplinginstabilitywillcausemorepollutionandwaste.Newburner'sdesignmustovercometheseshortcomings,toachieve"thepurposeofenergysavingandemissionreduction". FirstlythispaperwithFLUENTsoftwarefortheplatform,andconstructsthereasonablemathematicalphysicsmodelofmethane-airpre-mixingcombustionprocesswassimulated,theexperimentproof,thepoorfuelcombustionandpooroxygenburningcanreducingpollutantpurpose.Andusingthemethodofnumericalsimulationofcombustionmodelfordifferentundertheconditionofpre-mixingcombustioncharacteristicsofmethaneareanalyzed,observeitsvelocityfieldandtemperaturefield,andthedistributionofpollutants(),foundtherelevantlawpre-mixingcombustion,seekingthebestconditionburning.Thenthispapertounderstanddifferentcombustionmodelconvectionfieldstructure,theinfluenceofcombustionstructure,comparedwiththeexperimentalresults,thispaperdiscusseshowtoimprovethedesignaccuracynumericalsimulation,andatthesametime,improvethestabilitypre-mixedflameoutrulesandexploretheinhibitingcombustioninstabilitystrategy.Thisarticlethroughnumericalcalculation,obtainedindifferentcombustionmodelcolumnarcombustionchamberunderthenumericalsimulationresultsofmethanecombustion,analysis,wefoundthatthedifferentcombustionmodelfortheinfluenceofmethanecombustioncharacteristicofdifferentalso.Throughtheburningratedistribution,theflametemperaturedistributionofconvective,thecombustionpollutantsanalysisofNOcloud,drawstheconclusion.Keywords：Pre-mixingcombustionNumericalsimulationFLUENTPartpre-mixingcombustion 绪论课题的研究背景及意义燃烧室作为燃气轮机中最重要的部件，是利用燃料的燃烧，提高进入涡轮的气流温度的装置。在整台燃气轮机的构造中，燃烧室的位置位于压气机和燃气涡轮之间，它的功能有两种:第一，是将通过压气机增压以后的空气和通过燃油喷嘴喷出的燃料进行混合，并进行有效的燃烧;第二，是使通过压气机输出的一部分压缩空气和通过燃烧以后形成的具有极温度的燃烧产物均匀地掺混达到降温的目的，并使之成为涡轮叶片能够承受的燃气温度。通燃烧室的这两个功能，燃烧室能够在近乎等压的工作条件下使燃料释放出化学能，并使化学能转化为高温燃气的热能，为高温、高压燃气在燃气涡轮中膨胀做功做好准备。由此可见燃烧技术是燃气轮机研究中最关键的技术之一。但是，燃烧室内燃烧技术研究的难度也特别大。首先，这是由于在燃烧室内既有热力学和气体动力学等方面的物理问题，同时还包含着复杂的化学过程的化学反应问题。从气体流动的过程方面来讲，这是一个带有回流和旋流的三维湍流流动过程，在此流动中同时还存在着激烈的化学反应，而在湍流流动和化学反应之间又存在着至今尚未完全搞清楚的相互作用和影响的问题。从化学反应的过程方面来讲，碳氢化合物与空气混合燃烧的反应机理目前还没有被化学家完全研究清楚。从传热工程方面来讲，包括对流换热、热传导以及辐射散热这三种传热问题同样极为复杂。其次，燃气轮机系统对燃烧室还有着诸多的要求，例如航空发动机要求燃烧室的点火过程要迅速可靠，燃烧过程中要保持安全、稳定、流动损失要达到最小，燃烧室出口温度场的品质要好，尾气排放中的污染物含量要少，燃烧室使用寿命要长，燃烧室的可靠性要高等，然而诸多要求之间往往相互矛盾，不能同时兼顾，所以协调起来就变得非常困难。最近几年的研究和实验表明，实现从非预混燃烧方式向预混低温燃烧技术的转变可以使得NO、的排放从本质上降低。预混低温燃烧技术是把燃料与氧化剂预先混合成为均匀的可稀释的可燃混合物，然后使之以湍流火焰传播的方式进行燃烧，在这个时候，火焰面的燃烧温度与燃料和空气当量比的数值相一一对应。通过对燃料与空气当量比的调节，使火焰面的温度维持在在1900K以下以降低NO、的排放。目前贫燃料预混燃烧技术已经开始逐渐替代传统的非预混燃烧方式。在干式NO、燃烧器使用时，已经可以使天然气燃烧的NO、产物降低到20ppm以下。Davis预计，使用这种燃烧器能够将NO、降低到9ppm(排气中还有15%的OZ)。在商业应用中，第一代比较成熟的控制NO、排放量的方法是注水注蒸汽的技术(对燃料和气体加湿并稀释、空气伴随水蒸气加湿稀释、空气伴随注氮式稀释技术))a这种方法能够将排放物中NO、的浓度降到40ppmo但是这种技术同时具有较大的局限性。本方法所需的净化水的成本高，运行费用也相当高，注水的方法导致发动机的热效率降低很多，同时并不能将NO、的排放降到较低，目前为止此排放量只能暂时满足不高的污染物排放物标准。 燃烧方式由非预混燃烧转变为贫燃料预混燃烧，是对燃烧室内燃烧过程的一系列改进中的一个重大进步，贫燃料预混燃烧技术就是在保证完全燃烧的情况下，尽量减少燃料的供给量，使燃料和氧化剂先混合均匀再燃烧，将火焰温度控制在NO、的生成温度以下，以降低NO、的排放。但贫燃料预混燃烧技术在实际实施中却遇到了两个障碍。第一，虽然NO、排放随火焰温度降低而降低，但火焰温度太低时CO排放显著加大，故应该寻找一个适当的火焰温度，以使两者同时降低。解决这一问题的难度相对来说不是很大。第二，在燃气轮机燃烧室内的贫燃料预混燃烧技术的发展受到了燃烧火焰不稳定的限制因素，其中包括自动点火、回火等静态不稳定，以及震荡燃烧等动态不稳定。对于气体燃料来说自动点火的问题还不是太严重。其燃烧稳定的范围很窄，不能适应燃气轮机在大范围内工况变化的需要。更重要的是当燃烧室内发生不稳定燃烧的情况时一，燃烧室内的压力将会产生大幅度震荡，这会破坏燃烧室壁上的附面层结构，增强了燃气与燃烧室壁面间的传热，同时伴随着高放热率和强烈的机械振动，从而造成燃烧室的损坏。对于有巧个工作大气压的燃气轮机燃烧室，只要出现2bar的压力波动即会破坏燃气涡轮，这在动力设备的使用过程中是不被允许的。因此，燃烧室内燃烧过程里出现的不稳定燃烧问题是贫燃料预混燃烧技术中最关键也是最函待解决的问题，同时还是关系到我国未来的新能源战略和环境保护的重大课题。对此问题进行研究涉及到计算机科学、流体力学、化学动力学、燃烧学等诸多学科，并且需要将各个学科相互融汇交叉，从而进行探索和解释燃烧不稳定性的内在规律，这将具有十分重要的科学、技术和工程意义。如果有可以实行的办法来解决贫油预混燃烧中出现的稳定性问题，那么贫油燃烧技术将会成为最为有前途及有效地控制NO、排放的方法。总之，从科学发展和工程应用以及能源可持续发展和环境保护的需要来看，对燃烧室内贫燃料预混燃烧火焰的不稳定性及其控制技术进行研究具有特别重要的战略意义。2毕业设计方法要求：1.查阅相关文献资料，了解湍流模型和燃烧模拟。2.掌握Fluent软件，学会构建物理模型，进行网格划分，掌握燃烧模型的相关数学模型。3.预混燃烧二维模拟。在不同工况下（化学当量比、流动参数等）进行流场结构和火焰结构分析。4.不同预混燃烧模型、不同流场的模拟。分析流场结构、火焰结构等燃烧特性。通过各模型的比较，找出与各种燃烧流场相适宜的最佳燃烧模型。5.预混燃烧三维模拟，与二维模型比较，分析两种模拟方法优缺点。6.热声耦合模拟。分析流场结构、火焰结构、声波等相互作用特性。7.根据模拟结果，得到燃烧的最佳工况，讨论抑制污染排放和火焰不稳定性的控制策略。预混燃烧的研究现状贫氧燃烧（一般指主燃区内氧气浓度低于化学恰当比所要求的氧气浓度）是上世纪末发展起来的一种低燃烧技术，即利用烟气再循环或者再燃等措施降低主燃烧区氧气含量，从而抑制氮氧化合物的生成。对于天然气而言，在高温、低氧环境下燃烧时，烟气中的含量随着空气含氧量的降低而显著降低。实现低氧的途径很多。一般实验室常采用向助燃空气中掺混、 或惰性气体等来稀释助燃空气而获得。但在工业上，出于经济性的考虑一般不采用这种方法。在工业上，使用的方法一般有四种。第一就是有效的组织炉膛内的空气。这种方法依靠助燃空气及燃料器高速射流的卷吸作用使炉膛内大量燃烧产物回流来稀释燃烧区的含氧体积浓度。第二，采用燃料的分级燃烧。这里所说的分级燃烧分为空气分级和燃料分级。空气分级就是先将一小部分燃料(称为一次燃料)与预热后的高温空气在烧嘴通道内燃烧,消耗掉一部分氧量。然后，将燃烧后的混合气流高速喷入炉内,卷吸炉内燃烧产物回流，稀释助燃空气的含氧体积浓度。占大部分的二次燃料则直接喷入炉内，与已稀释的助燃空气混合，实现高温低氧燃烧。燃料分级是将锅炉炉膛分为三个区域，即主燃区、再燃区及燃尽区。首先将绝大部分的燃料送入主燃区，进行燃烧，生成。剩下的燃料被送入主燃区上游的再燃区燃烧。来自主燃区的大部分被还原成N和，同时抑制了新的的生成。最后被还原后的燃烧产物进入燃尽区，完成燃烧的全过程，实现了低排放的目的。第三，燃用低热值的燃料。因为在相同的火孔热强度下，低热值燃料比高热值燃料的总流量小，在高温区的停留时间长，产生的相对就少。第四，就是尽可能采用较高的燃料/空气当量比，有利于实现低氧燃烧。贫燃预混燃烧，就是在燃烧过程中加入过量的空气，这与贫氧燃烧技术在本质上是一致的。那就是加大燃料燃烧时其中一种成分的浓度，从而达到控制燃烧室温度的目的，最终起到降低污染物生成量（主要是NO）的作用。与贫氧燃烧不同，燃料/空气当量比较低时可以有效地降低废气中CO、碳氢化合物（HC）等有害物质的生成量。预混燃烧广泛应用于航空发动机、地面燃气轮机和工业锅炉等场合，它具有较高的燃烧效率，可以通过控制混合气中的燃料浓度来控制火焰温度从而到达控制生成的目的，是一种比较清洁的燃烧方式。针对预混燃烧国内外学者做了大量的研究，相关的研究多是针对气体燃料预混火焰进行的，关于液雾低氧预混燃烧的相关研究对集中在柴油机方面。钟水库[17]等人对高温低氧燃烧过程中的排放规律进行了研究，发现高温低氧燃烧过程中污染物的生成与排放浓度随着预热空气温度的下降而下降，而的生成与排放受燃料燃烧温度和炉膛内温度场分布的影响极大,而预热空气温度和含氧量又往往控制着燃烧过程的温度水平和炉膛内的温度场分布。因此,这两个因素对的生成与排放产生了重要影响。田颖[16]对贫燃料预混燃烧回火特性进行了研究。通过贫燃料预混燃烧控制燃料与空气的实时掺混比从而达到控制火焰面温度的目的。这样就能控制热力型的生成，但温度太低会造成CO的排量增大，故有一个合适的温度范围1670K-1900K，此时的CO和排量均较低。YingHuang[15]，Hong-GyeSung，Shih-YangHsieh和VigorYang采用大涡模拟的方法对天然气低氧预混旋流燃烧进行了全面的数值模拟。详细介绍了模型的选取和方程离散化方法。并对热声耦合进行了初步的分析。高海洋，曹惠玲[11]等介绍了近年来在柴油机上进行的均质预混合燃烧技术，提出这些研究对于根本解决扩散燃烧的缺陷具有的重要意义。 论文主要研究内容为了探讨如何改进数值模拟，提高设计精度，同时找出贫燃预混火焰稳定性规律，探讨抑制燃烧不稳定性的策略。本文选用了预混的燃烧形式，本文借鉴国内外在燃烧方面的研究成果，结合预混燃烧的试验研究，对不同燃烧模型下的甲烷/空气混合气体的燃烧过程进行数值模拟。首先，根据预混燃烧的特点构建合理的模型。其次，以Fluent软件为平台通过对燃烧室内速度场及温度场的分布情况，分析流场参数对生成量及燃烧室温度分度分布的影响，并找出他们的规律。再次，利用数值模拟的方法针对不同燃烧模型的情况下甲烷的预混燃烧的特性进行分析，观察其速度场、温度场、以及污染物（）的分布情况，发现预混燃烧的相关规律，寻求燃烧的最佳工况。第二章数值模拟的模型及计算方法2.1引论随着计算流体力学（CFD）的发展，数值模拟技术逐渐成为继理论和实验之后的第三种重要的燃烧稳定性研究方法。目前，数值模拟研究越来越受到重视，借助于试验测量结果建立恰当的理论预测模型，并通过数值模拟全面深入分析气体燃烧特性，取得了具有普遍指导意义的研究结果，用数值模拟代替绝大部分的试验工作，为设计计算提供依据，成为燃烧器设计的有力工具。为了在计算机中分析和模拟一个产品，首先必须建立产品模型。产品模型不仅包括与生产有关的所有信息，如几何形状、尺寸、精度、各表面的相互关系以及材料和热处理等信息，而且结构上还要清楚地表达这些信息之间的关联。有了产品模型以后，即可研究产品在工作环境中的受力变形、振动及运动的情况，以便评定产品是否满足设计要求。CAE的分析方法主要是有限元法和模态分析法。所谓有限元法是用计算机把复杂的零件形体自动分割成有限个形状简单的小块（称网格单元），然后逐个分析、计算这些小单元体的变形，并按一定的关系求得零件的总变形。模态分析法主要用于分析冲击和变负荷的动态结构，在振动分析的基础上可在计算机的屏幕上显示出结的动画。对于一部由许多零件装配成的机器，可以用有限元法或模态分析法求出每个零件的变形或振动量，然后根据装配的连接条件求得整体结构的变形和振动。本文即采用Fluent软件进行数值模拟研究。湍流模型 湍流模式理论或简称湍流模型，就是以雷诺平均运动方程与脉动运动方程为基础，依靠理论与经验的结合，引进一系列模型假设，而建立起的一组描写湍流平均量的封闭方程组。湍流运动物理上近乎无穷多尺度漩涡流动和数学上的强烈非线性，使得理论实验和数值模拟都很难解决湍流问题。虽然N-S方程能够准确地描述湍流运动地细节，但求解这样一个复杂的方程会花费大量的精力和时间。实际上往往采用平均N-S方程来描述工程和物理学问题中遇到的湍流运动。当我们对三维非定常随机不规则的有旋湍流流动的N-S方程平均后，得到相应的平均方程，此时平均方程中增加了六个未知的雷诺应力项，从而形成了湍流基本方程的不封闭问题。根据湍流运动规律以寻找附加条件和关系式从而使方程封闭就促使了几年来各种湍流模型的发展，而且在平均过程中失去了很多流动的细节信息，为了找回这些失去的流动信息，也必须引入湍流模型。应用比较广泛的两方程模型有Jones与Launder提出的标准k-e模型，以及k-omega模型。本文所采用的湍流模型为标准k-ε模型。其连续方程、动量方程、能量方程及组分方程分别为：连续方程：动量方程：能量方程：组分方程：2.2.预混燃烧　1定义燃料和氧气（或空气）预先混合成均匀的混合气，此可燃混合气称为预混合气，预混合气在燃烧器内进行着火、燃烧的过程称为预混燃烧（premixedcombustion）。2特征预混燃烧在燃烧前，燃料与氧气已经在燃烧器内充分混合。它是相对于扩散燃烧的另一种典型燃烧方式。根据预混氧化剂的含量是否能够使燃料完全燃烧，分为部分预混和完全预混燃烧两类。3湍流预混燃烧反应关于湍流预混燃烧反应速率计算模型，目前应用比较广泛的是对Spalding提出的漩涡破碎模型进行改进而得出的涡耗散模型(EDM)。这个模型既可用于预混火焰也可用于非预混火焰，并且计算结果比漩涡破碎模型更能与实验数据相符，因此该模型得到了广泛的应用。但这个模型的化学反应速率由大涡混合时间尺度k-ε控制，只要湍流出现k-ε>0，燃烧即可进行，不需要点火源来启动燃烧。这通常对于非预混火焰是可以接受的，但在预混火焰中，反应物则在计算区域内一混合就开始燃烧是不正确的。所以本文采用了改进了的适合湍流预混燃烧的模型一有限速率/涡耗散模型(FiniteRate/EddyDissipation)。为了便于分析，首先给出涡耗散模型(EDM)，然后给出有限速率/涡耗散模型(FiniteRate/EddyDissipation)。 3.3本文所用的FLUENT燃烧模型1预混燃烧模型该模型主要针对纯预混湍流燃烧问题，在这些问题中，反应物和生成物由火焰峰面隔开，该模型通过求解各种反应过程参数来预测火焰峰面的位置，该模型为考虑湍流对燃烧的影响，引入了一个湍流火焰速度。湍流效应可以通过层流和湍流火焰速度的关系来考虑。应用领域：该模型可以用来模拟飞机加力燃烧室中的复杂流场模拟、气轮机、天然气燃炉等。2部分预混燃烧模型部分预混燃烧模型是结果预混和非预混模型，用运混反应进展参数C决定火焰前锋的位置，火焰前锋后，C＝1，为已燃气，求解层流火焰面混合分数。在火焰前锋的前侧，C＝0，组分质量分数，温度和密度从未燃烧的反应物混合分数中计算。在火焰里面，0