甲烷-空气贫燃料预混燃烧的数值模拟

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1、第28卷第2期2O11年4月沈阳航空航天大学学报JournalofShenyangAerospaceUniversityV01．28No．2Apr．201文章编号：2095—1248(2011)02—0035一04甲烷一空气贫燃料预混燃烧的数值模拟吴振宇1，王成军1，王朝晖2，王丹丹1(1．沈阳航空航天大学，辽宁沈阳110136；2．中国航空动力机械研究所．湖南株洲412002)摘要：针对燃气轮机燃烧室火焰筒中的甲烷一空气贫燃料预混燃烧问题，给出了基于八步化学反应动力学机理的数学模型。以某型航空发动机燃烧室火焰筒为例，对甲烷一空气贫燃料的预混燃烧进行数值模

2、拟。研究结果表明，基于八步化学反应动力学机理的数值模拟方法，可以比较准确地反映燃烧产物的形成过程，在分析航空发动机燃烧室火焰筒内的贫燃料预混燃烧问题时具有较强的实用性。关键词：火焰筒；预混燃烧；八步化学反应动力学机理；数值模拟中图分类号：V231．2文献标志码：Adol：10．3969／j．issn．2095—1248．2011．02．008Numericalsimulationofmethane-airleanpremixedcombustionWUZhen-yul，WANGCheng-junl，WANGZhao．hui2，WANGDan．danl(1．

3、ShenyangAerospaceUniversity，LiaoningShenyang110136；2．ChinaAviationPowerPlantResearchInstitute。HunanZhuzhou412002)Abstract：Inviewofthelean—premixedcombustionofmethane—airinanaero-enginecombustor，alleight-stepchemicalkineticmechanismmodelisgiven．Thispaperreportsthenumericalsimulatio

4、noflean—premixedcombustionofmethane—airbytakingaero-end"necombustorlinerasanexample．Theresearchin-dicatesthatprecisepollutantpredictionCanbegivenperfectlyusingthemodelbasedontheeight·-stepchemi··calkineticmechanism，whichispracticalforanalysisoftheaeronauticallean—premixedcombustio

5、n．Keywords：flametube；premixedcombustion；eight·stepchemicalkineticmechanism；numericalsimula-tion预混燃烧是指燃料与氧化剂在进入燃烧室燃烧之前已经充分混合的燃烧方式。如果在采用预混燃烧技术的同时对混合气中燃料和氧化剂的比例加以适当控制，就可以使燃烧过程的峰值温度相对降低，达到节约燃料，减少污染排放的目的【I。4j。由于可以明显地降低氮氧化物的排放量，贫油、贫燃料预混燃烧已成为国外各航空发动机公司在研制低污染先进发动机时重点考虑的技术方案之一。当前，国内外对甲烷一空气

6、混合气的贫燃料预混燃烧已经做了较多的研究工作【，。】。文献[5]在敏感性研究的基础上。得到了准确描述甲烷火焰的25个基本化学反应方程。然而，鉴于计算机能力和容量的限制，将此25个反应方程全部用于燃烧过程的数值模拟是极为复杂困难的。文献[6]在文献[5]的基础上，将系统简化的6部化学反应动力学模型与描述层流流动的纳维一斯托克斯方程结合，对甲烷一空气预混燃烧过程进行了数值模拟，并与实验数据进行了对比论证。虽然其模拟结果与实验结果基本吻合。但文中模型没有考虑CO的逆反应。无法对生成物中CO的含量进行预测。同样，模型中也没有包含NO的化学反应机理，虽然利用CFD软

7、件包可以对NO特别是热力型NO进行预测及后处理，但是生成收稿日期：2010一∞一0r7作者简介：吴振宇(1982一)。男．山西原平人．在读研究生．主要研究方向：航空发动机燃烧设计与分析技术，E—mail：200805078@163．姗；王成军(1967一)。男．辽宁沈阳人．副教授。主要研究方向：燃烧及两相流。36沈阳航空航天大学学报第28卷NO的具体化学反应过程却被忽略了。因此，采用一种简单适用而又比较准确的反应动力学机理是模拟甲烷一空气预混燃烧过程时应重点考虑的一个问题。本文采用八步化学反应动力学机理对菜单管燃烧室中的甲烷一空气混合气的预混燃烧过程进行数

8、值模拟，分析了燃烧室模型选取不同当量比及进口速度时的污染排放性能。