11105某重型燃气轮机环形燃烧室的数值模拟.pdf

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1、第24卷第1期《燃气轮机技术》Vol.24No．12011年3月GASTURBINETECHNOLOGYMar．，2011＊某重型燃气轮机环形燃烧室的数值模拟1，233111刘富强，张栋芳，崔耀欣，崔玉峰，徐纲，朱俊强(1．中国科学院工程热物理研究所，北京100190;2．中国科学院研究生院，北京100190;3．上海电气电站设备有限公司汽轮机厂，上海200240)摘要:完成了环形燃烧室从扩压器、旋流器到火焰筒完整真实几何结构的建模，并进行三维数值模拟。数值计算采用有限速率/涡团耗散湍流燃烧模型、Realizablek－ε湍流模型

2、、SIMPLE压力速度耦合算法以及二阶精度迎风差值格式。分析了不同负荷对流量分配、出口温度、燃烧效率、压力损失以及污染物排放的影响。在对比现场实测结果后发现，计算结果与实际燃烧室燃烧特征较为吻合。关键词:燃气轮机;环形燃烧室;数值模拟;燃烧特性中图分类号:TK472文献标识码:A文章编号:1009－2889(2011)01－0020－06燃烧室是燃气轮机的核心部件之一。其工作环工况选取合适的进气参数，利用FLUENT分别进行境具有热负荷大、高温高速、高过量空气系数及流场不同负荷下的计算，得到了内部流场分布、出口温度［1］复杂等特点

3、，其出口参数特征直接影响到涡轮的分布、燃烧效率、压力损失及污染物排放指数等特性工作性能和寿命，不断改进燃烧室的设计，优化其性参数随负荷的变化规律。并将计算结果和现场测量能参数是十分必要的。数据相比较，能够对燃气轮机燃烧室的结构优化和但由于燃烧室内部流动、物理过程和化学反应改进提供一定的参考依据。过程非常复杂，理论分析和试验测量都有很大的局1三维几何模型的建立限性。随着计算机性能的提高以及数值模拟方法的不断完善和改进，数值模拟方法逐渐得到认可，并成该燃机采用了环型燃烧室，头部有24个喷嘴。［2－5］为燃烧室设计的重要工具。国际燃气轮

4、机公司图1为燃烧室几何模型。该燃烧室的独特之处在于比以往更加重视燃烧室的数值模拟，比如GE提出采用了一种混合燃烧器，图2为其示意图，燃料经预［2］的ACC(AdvancedCombustionCode)计划和Hon-混通道、扩散通道或值班通道进入燃烧室。空气从［3］eywell的ACT(AdvancedCombustionTool)计划，压气机出来经扩压器后，大量空气沿圆周布置的圆［4－5］都采用了参数化建模方法，在一定程度上实现柱孔流向斜向旋流器(如图3周向排列的20个旋流了几何建模、网格生成和指定边界条件的自动化，大叶片)后和

5、从预混通道(图4为其网格图)进来的燃大缩短了燃烧室数值求解周期。利用基于计算流体料充分掺混;其余少量空气通过轴向旋流器(图3［6－8］力学(CFD)的数值方法，通过模拟三维湍流燃中心部分，图5为其网格)进入燃烧室。考虑到计烧来了解燃烧室在各个工况下的工作特性，预测其算时间成本问题，选取1/24圆周的扇形区域建模，［9］流场、温度分布以及NOX排放指数，对减少燃烧图6为计算区域网格。室实验和研制费用，缩短研制周期具有重要的现实由于燃烧室结构复杂，为保证网格结构的合理［10］意义。性，利用GAMBIT软件采用分块划分结构和非结构本文对

6、某重型F级燃气轮机环形燃烧室从扩的混合网格，尽管适当进行了简化，但网格数量仍高压器、喷嘴、旋流器到火焰筒完整结构建模，并进行达1459万多。导入FLUENT后，把四面体和六面三维模拟。由于几何模型与实际燃烧室几乎没有差体网格转化为多面体网格，网格数量减少至约490别，保证了计算结果的可靠性。根据燃机实际运行万，大大节约了计算时间。*收稿日期:2010－04－01改稿日期:2010－05－04第1期某重型燃气轮机环形燃烧室的数值模拟21等。2．1湍流模型标准k－ε应用范围广泛，但它假定湍流为各向同性的均匀湍流，所以在燃烧室强旋流问题

7、计算中存在较大误差。计算湍流动力粘度的系数Cμ不应［11］是常数，而应与应变率联系起来。Shih等人提出［12］的Realizablek－ε湍流模型来修正Cμ，解决标准k－ε的不足。2．2湍流燃烧模型化学反应是个十分复杂的过程，即使是纯燃料如氢气或甲烷，其燃烧过程也包含几个至几百个中间反应。由于计算机条件和燃烧模型的限制，要解出如此复杂的链式反应中各种中间产物和最终产物在空间各点的精确分布还存在相当困难。化学反应对流动的影响主要是由它的热效应引起的，而燃烧从几何模型的建立过程来看，该流场的数值模室的模拟需要重点考虑的也是燃烧的热效

8、应，如燃拟是对真实环形燃烧室的三维模拟，三维模型的高烧效率和温度分布等。针对这个特点，本文采用了度保真性，保证了计算结果的准确性和可靠性。可以绕过化学反应详细机理的有限速率/涡耗散模［13］型，该模型能够基本满足实际需要。有限速率和2数值模拟方法简