眭曉蔚，齊東東，楊 陽，王力軍

(沈陽航空航天大學a.航空航天工程學部(院)；b.能源與環(huán)境學院,沈陽 110136)

溫和與適度低氧稀釋燃燒MILD(Moderate and Intense Low Oxygen Diffusion)，是指燃料在低氧氛圍下反應的燃燒模式。據研究報道，MILD燃燒的熱效率提高20%，NOx排放減少70%[1]。MILD燃燒又稱為無焰燃燒/HiTAC,高溫燃燒和無色燃燒。自20世紀90年代提出至今，MILD燃燒的燃料適用范圍包括氣體、液體、固體、合成燃料和混合燃料；MILD燃燒的助燃空氣適用范圍也從最初僅需要高溫預熱空氣助燃拓展到現(xiàn)在的常溫空氣助燃；MILD燃燒的應用范圍最初限于工業(yè)加熱、化工冶金、熱能動力、能源環(huán)境等工程領域；目前，各國正在積極研究探索將該技術應用于燃氣輪機、航空航天等高科技領域，并取得了初期成果[2]，MILD燃燒被國際燃燒界譽為本世紀最有發(fā)展前途的燃燒技術之一。

在燃氣輪機MILD燃燒室的應用基礎研究方面，M.Costa等人[3]在特殊幾何形狀的常壓MILD燃燒室試驗臺上，用高動量入射空氣產生強回流卷混高溫燃氣形成MILD燃燒機制。在燃燒當量比為0.24～0.28、空氣入射溫度為425K等試驗條件下，試驗得到的平均燃燒效率98.5%、NOx低于10.6ppm(@15%O2)。J.Gutmark等人[4-5]先后在歐盟無焰燃燒室EU(European Flameless Combustor)和辛辛那提燃燒室UC(University of Cincinnati Flameless Combustor)試驗研究了多種燃料和試驗條件下的MILD燃燒模式，驗證了將MILD燃燒技術應用于燃氣輪機的可行性。德國航空航天中心[6]將FLOX@無焰燃燒噴嘴應用于高壓無焰燃燒試驗室，采用平面激光誘導熒光技術PLIF實測了天然氣和氫氣混合燃料預混合和擴散的無焰燃燒OH*火焰特性，NOx低于10ppm(@15%O2)。Jerry M.Seitzman等人[7]的SPRF燃燒室(Stagnation-Point Reverse-Flow Combustor)試驗，采用PIV和OH PLIF試驗測定了氣-油霧顆粒兩相流的流場和無焰燃燒的火焰特性，分析了空氣對燃油顆粒和高溫回流燃氣間的隔離作用對無焰燃燒機制的作用，NOx超低排放為1 ppm。Y.Levy等人[8]在傳統(tǒng)航空燃氣輪機單管燃燒室的結構基礎上，設想燃油壁面噴嘴的逆流式噴射燃燒方式，但尚無燃燒試驗和數(shù)值計算的研究結果發(fā)表。Yufeng Cui等[9]對所建立的MILD燃燒室用PIV和PLIF進行了試驗研究，采用加氫混合燃料的MILD燃燒能使CO和NOx排放均低于10 ppm(@15%O2)。

本文的新型MILD燃燒室以航空煤油為燃料，通過改變航空煤油燃燒的當量比，模擬分析起飛、爬升、巡航等3種工況下的MILD燃燒方式和燃燒特性。

1 MILD模型燃燒室與數(shù)學模型

1.1 燃燒室模型與網格

MILD模型燃燒室主體采用筒式結構，圖1為模型燃燒室的1/12對稱體和在頭部燃油噴嘴位置的橫斷面網格剖分圖。圖1中帶箭頭實線表征了氣體流動特征，頭部入射空氣按一定的空氣流量分配分別進入機匣和火焰筒；機匣內的部分空氣在頭部被主流引射后進入火焰筒以節(jié)約空氣總量，機匣其余空氣經火焰筒尾部12個摻混孔調溫調質。燃燒室內的流場結構分別為頭部的引射摻混區(qū)、火焰筒內部回流區(qū)和尾部摻混區(qū)。燃燒室頭部燃油腔內周向均勻布置12個霧化燃油直射噴嘴。火焰筒內徑為100 mm，燃燒室長度為420 mm。采用結構與非結構網格劃分，近壁采用加密網格，網格總數(shù)為857，855。

圖1 MILD模型燃燒室及網格剖分圖

1.2 數(shù)學模型

湍流燃燒反應流連續(xù)相基本控制方程組表達式見方程(1)。

(1)

Ri=-min(Reddy,RChem)

(2)

(3)

RChem=A[fuel]a[oxygen]bexp(-E/RT)

(4)

式中rfu為燃料燃燒的化學當量比，A、E和T分別為燃燒化學反應速率阿累尼烏斯公式中的指前因子、活化能和氣體溫度。NOx的生成濃度用熱力NO模型和快速NO模型。輻射傳熱采用P1輻射模型，包括CO2和H2O等煙氣的輻射特性計算。燃油霧滴離散相由顆粒隨機離散運動模型計算。燃油霧滴的速度、質量和溫度變化速率由拉格朗日方程同時求解。方程(1)中的源項Sp,φ由DPM模型計算。霧化顆粒尺寸服從Rosin-Rammler分布，其速度計算考慮了氣相湍流脈動速度的影響。燃燒室內的各氣體組分和燃油理化性能如密度、粘性、比熱容等均采用溫度的多項式函數(shù)。在燃燒室各壁面邊界條件處理中，考慮到壁面和熱流體間的熱耦合作用，取熱-流-固耦合邊界條件。

1.3 計算條件

已發(fā)表的MILD燃燒實驗和計算研究表明，燃料的循環(huán)率Kv對MILD燃燒機制有重要的影響[1]。只有當Kv值在大于一定范圍時才能形成MILD燃燒機制。沿流動方向x的局部高溫煙氣循環(huán)率Kv(x)的表達式見公式(5)，Craya-Curtet受限射流卷吸半經驗公式見公式(6)：

(5)

(6)

式中，Mrec為循環(huán)的高溫煙氣質量流量kg/s，Mair、Mfuel分別是空氣和煤油的入口質量流量kg/s，Minjection為空氣射流在燃燒室頭部對機匣內空氣的引射量kg/s。面積A(x)為回旋區(qū)的局部x與軸向垂直的局部斷面積。ρrev和vrec分別為高溫煙氣回流區(qū)x處的局部密度(kg/m3)和速度(m/s)。假設燃燒室內壓力為0.4 MPa，空氣入口的噴射速度均為100 m/s，溫度為800 K。燃油進口溫度為300 K。計算工況和按公式(5)的Kv計算結果見表1。對于固、液、氣3種燃料的預混和擴散燃燒等多種燃燒方式的試驗和數(shù)值研究結果均表明，Kv在3～6范圍內是實現(xiàn)MILD燃燒機制的重要條件[1]。表1中的計算結果表明，新型MILD燃燒室的Kv計算值在起飛、加油和巡航等3個工況下的高溫煙氣循環(huán)率均大于3.3。計算工況與相似條件下J.Gutmark等人的MILD燃燒室[5]的試驗工況一致。Kv(x)的數(shù)值計算結果和按Craya-Curtet受限射流卷吸半經驗公式(6)的計算結果和試驗工況相符合。

表1 計算條件

2 計算結果與分析

2.1 當量比對MILD燃燒方式的影響

圖2為在所選擇的3種工況下，顆粒-氣體的兩相流行為以及由此而產生的MILD燃燒模式(用燃燒溫度場表示)對比圖。由圖可見，當火焰筒內的高溫煙氣循環(huán)率Kv足夠大時，回流區(qū)內3種當量比對應的燃油顆粒濃度都呈較大的空間彌散分布狀態(tài)。較大油氣當量比時，燃油霧化顆粒在回流區(qū)中的停留時間隨著噴油量的增加而延長?？梢?，燃油顆粒穿透較強的回流區(qū)空間并呈彌散分布，是MILD燃燒模式的重要條件。而燃燒溫度場計算結果呈現(xiàn)的燃燒火焰空間分布狀態(tài)和小于50 ℃的局部溫差表明了MILD燃燒方式，提高燃油當量比，火焰彌散空間相應增大。在MILD燃燒方式下，不同Φ有相同的空間燃燒特性。

圖2 Φ對MILD燃燒模式的影響

2.2 MILD出口溫度場品質與驗證

燃氣輪機燃燒室出口的溫度場品質是燃燒性能的重要標志之一。溫度場品質用出口溫度分布系數(shù)OTDF(Outlet Temperature Distribution Factor)描述

(7)

圖3 Φ對出口溫度場品質的影響

2.3 NOx排放

圖4為不同當量比時燃燒室的NOx排放與試驗結果的對比。在3種當量比對應的工況下，MILD燃燒室的NOx(@15%O2)排放都很低，具有很低的NOx排放優(yōu)良性能。這與其中2種工況的實測數(shù)據相符合。低NOx主要是因為MILD燃燒室的恰當停留時間、均勻的燃燒溫度場以及回流區(qū)的低氧濃度。但當量比較大時燃料在回流區(qū)內的停留時間和燃燒溫度場有所增大，所以同樣的MILD燃燒模式，計算和實測的結果都表明NOx排放增加。

圖4 Φ對NOx排放的影響

2.4 燃燒效率

燃燒效率η的表達式為：

(5)

燃燒效率表征燃燒過程對燃料的利用效率。從表2可以看到，當量比為0.496時，燃燒效率最低，可以解釋為此時的燃料最多，有更多的燃料來不及在燃燒室內與有限的氧發(fā)生反應而被直接排出，3種工況MILD的燃燒效率都高于97%，與試驗規(guī)律相符合[5]。

表2 燃燒效率η

3 結論

本文對MILD模型燃燒室在改變當量比Φ時的燃燒方式和燃燒特性進行了模擬研究，結論如下：(1) 當Kv大于0.33時，燃燒室內的高溫煙氣回流是產生MILD燃燒方式的重要前提。在所研究的Φ值范圍內，燃油顆粒能夠穿透回流區(qū)產生MILD燃燒模式。燃燒呈空間彌散燃燒特征，燃燒溫度場均勻，局部溫差很小;(2) 在MILD燃燒模式下，燃燒室燃燒溫度場和出口溫度品質良好。當量比對燃燒室燃燒場和出口溫度場品質影響很小。燃燒室的NOx排放隨著燃油當量比的提高而增加，增幅小于2ppm。當量比對MILD燃燒的低NOx排放特性影響不大,不同當量比時的MILD燃燒具有較高的燃燒效率;(3) MILD具有優(yōu)良的燃燒性能,計算結果與相似條件下的試驗相符合。

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