楊海峰，王力軍

(沈陽(yáng)航空航天大學(xué) a.航空航天工程學(xué)部;b.能源與環(huán)境學(xué)院，沈陽(yáng) 110136)

重型燃?xì)廨啓C(jī)是我國(guó)重點(diǎn)研究的重要課題。隨著能源緊缺的加劇和嚴(yán)格的環(huán)保要求，國(guó)際上越來(lái)重視氮氧化物等污染物的排放[1-2]。對(duì)于重型燃?xì)廨啓C(jī)而言，在保證燃燒效率的基礎(chǔ)上，必須盡可能降低污染物排放，降低NOx和CO排放是節(jié)能減排的重要目標(biāo)。盡管我國(guó)加大了對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)核心技術(shù)自主研發(fā)的支持力度并取得了一些成果，但我國(guó)的燃?xì)廨啓C(jī)與國(guó)際先進(jìn)水平相比差距還很大，其中NOx排放每年還是增加約12.5%，迫切需要在原有的基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低[3-6]。

本文對(duì)某重型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室燃燒柴油液體燃料的燃燒特性進(jìn)行了三維數(shù)值計(jì)算，用UG進(jìn)行三維幾何建模，利用FLUENT6.3軟件對(duì)該燃燒室進(jìn)行了三維兩相流燃燒反應(yīng)、污染物NOx、CO進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。分析了燃燒室在不同的工況下的燃燒室的性能，預(yù)測(cè)其流場(chǎng)、溫度場(chǎng)以及NOx污染物的排放，將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，對(duì)燃燒室的結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供了參考依據(jù)。

1 燃燒室三維幾何模型

圖1為燃燒室的三維UG幾何模型，該燃燒室是環(huán)管式燃燒室，燃燒的頭部有8個(gè)噴嘴組成一個(gè)環(huán)形的副油路，中間有一個(gè)主噴嘴起到主油路的作用。該燃燒有兩種燃燒的狀態(tài)：一種是環(huán)形區(qū)域供油中心區(qū)不供油，第二種供油的方式為環(huán)形區(qū)域和中心區(qū)域都供油。

圖1 燃燒室?guī)缀文Ｐ?/p>

由于燃燒室的復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)，采用Gambit軟件進(jìn)行26個(gè)分體結(jié)構(gòu)的非結(jié)構(gòu)混合網(wǎng)格剖分。總網(wǎng)格數(shù)在210多萬(wàn)，如圖2所示。

圖2 燃燒室計(jì)算網(wǎng)格

2 數(shù)值方法簡(jiǎn)介與計(jì)算條件

2.1 控制方程組

燃燒室中的湍流燃燒反應(yīng)流數(shù)學(xué)模型主要包括湍流模型、湍流燃燒模型和輻射模型[6]。描述湍流燃燒反應(yīng)流封閉微分方程組的通用張量表達(dá)式為：

(1)

控制方程組采用湍流Realizablek-ε湍流模型封閉，近壁處采用標(biāo)準(zhǔn)的壁面函數(shù)?？刂品匠探M用有限體積法離散。用C16H34代表柴油。為了模擬燃油燃燒中湍流與化學(xué)反應(yīng)之間的相互作用，燃油燃燒反應(yīng)采用了多步有限化學(xué)反應(yīng)速率和EDC渦耗散的聯(lián)合模型，其反應(yīng)速率受湍流渦耗散速率EDC概念模型和有限化學(xué)反應(yīng)速率模型中較小的速率控制。

2.2 NOx生成機(jī)理模型

NOx生成機(jī)理模型共分為熱力型(Thermal-NOx和快速型NOx(Prompt-NOx)兩種。熱力型是燃料在以空氣中氧氣作為氧化劑進(jìn)行燃燒，在燃燒的過(guò)程中氮?dú)鈺?huì)在高溫中跟氧氣反應(yīng)產(chǎn)生NOx：

(2)

在熱力型NOx主要包括幾個(gè)平衡反應(yīng)：

(3)

(4)

(5)

熱力型NOx的形成是由一組被稱為廣義的Zeldovich機(jī)理的高度依賴于溫度的化學(xué)反應(yīng)決定的。從氮分子形成的熱力型NOx。其中方程(5)是特別在近當(dāng)量條件和富油條件下要考慮這個(gè)反應(yīng)。

快速型NOx在富燃火焰中最為普遍。實(shí)際的形成過(guò)程包括一系列復(fù)雜的反應(yīng)和許多可能的中間組份。這個(gè)形成過(guò)程如下反應(yīng)式所示：

(6)

快速型NOx在一些燃燒環(huán)境中能夠形成大量的瞬時(shí)型NOx，如低溫、富油并且停滯時(shí)間很短的情況下反應(yīng)。快速型NOx與單位體積里碳原子的數(shù)量成比例而與碳?xì)浠衔锉旧頍o(wú)關(guān)。隨著相對(duì)功率的增加而增加。當(dāng)相對(duì)功率增加時(shí)，快速型NOx產(chǎn)量先增加，會(huì)達(dá)到一個(gè)高峰值，最后由于氧的不足而降低。

2.3 計(jì)算工況的操作條件

圖3表示的是某重型燃機(jī)的燃油分配圖，其中Gf為總?cè)加土?。在?shù)值模擬的過(guò)程中分別取工況Ne為0.0、0.30、1.0。

圖3 燃燒室供油特性

在不同的工況下燃油和空氣量試驗(yàn)分配量由表1所示。Ne=0和Ne=0.3時(shí)由環(huán)形區(qū)域的8個(gè)油噴嘴組成的副油路供油；Ne=1時(shí)中心主油路和副油路同時(shí)供油，其中環(huán)形噴嘴每一個(gè)噴嘴的供油量為環(huán)形區(qū)油量的1/8。

表1 在不同工況下主副油路的供油量

3 計(jì)算結(jié)果及分析果

3.1 熱態(tài)溫度場(chǎng)分析

在Ne=0、0.3負(fù)荷下熱態(tài)燃燒溫度圖中，環(huán)形區(qū)域8個(gè)噴嘴供油，火焰溫度能達(dá)到2 200 K，火焰的向中心靠攏由于中心沒(méi)有供油所以中心溫度不高，但由于輻射效果使得中心的溫度升高，二者不同在于Ne=0.3情況下環(huán)形8個(gè)噴嘴加大了供油量使得溫度比前者高火焰形狀變長(zhǎng)，在靠近冷卻孔溫度梯度更小，冷卻效果更加明顯，氣流更加均勻。Ne=1的工況環(huán)形區(qū)域持續(xù)供油中心區(qū)域也開(kāi)始供油，中心火焰燃燒在中心火焰能達(dá)到最高溫度2 400 K左右，出現(xiàn)大面積的高溫區(qū)域。但高溫氣體通過(guò)冷卻孔的時(shí)候溫度急劇下降，過(guò)了冷卻孔溫度升高到1 400 K左右。3種狀態(tài)的火焰都是呈現(xiàn)先內(nèi)后外的扇形結(jié)構(gòu)特性，如圖4所示。

圖4 中央縱截面燃燒溫度圖

3.2 熱態(tài)出口徑向溫度分析

圖5是Ne=0、0.3、1.0三種狀況的出口徑向溫度圖。三種工況下的出口徑向溫度趨勢(shì)一致很平緩。在Ne=0的時(shí)候由于供油量少所以溫度比較低。Ne=1和Ne=0.3這二種情況下的出口溫度非常接近，說(shuō)明環(huán)形區(qū)供油達(dá)到一定的情況下中心供油對(duì)出口溫度的影響不是很大，卻靠近底端溫度越低，溫度梯度變化大。

圖5 出口徑向溫度分布圖

3.4 燃燒溫場(chǎng)計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果[11]

圖6為Ne=1滿載負(fù)荷情況溫度與試驗(yàn)溫度的對(duì)比。計(jì)算出來(lái)的溫度曲線圖跟試驗(yàn)數(shù)據(jù)非常接近，燃燒溫度場(chǎng)計(jì)算是合理正確的。出口溫度分布線型符合渦輪的進(jìn)氣要求。

圖6 滿負(fù)荷下出口溫度徑向分布曲線

圖6為燃燒室出口平均溫度分布系數(shù)OTDF和燃燒效率隨Ne的變化規(guī)律，來(lái)分析出口溫度好壞。OTDF定義如下：

(5)

如果忽略燃燒室的壁面散熱損失，由燃油的燃料燃燒效率定義式：

(6)

式中，EICO和EIHC分別為CO和碳?xì)涞呐欧胖笖?shù)g/kg，△HCO和△HC16H34分別為CO和C16H34的低位熱值。

圖7 燃燒效率和OTDF隨Ne的變化

由圖7可見(jiàn)，燃燒室的燃燒效率都在98.5%以上隨著Ne的增大燃燒效率逐漸增大的說(shuō)明了功率越大燃燒效率越好氣相流動(dòng)越好。OTDF隨著Ne的增大逐漸減少。圖8可以看出燃燒室在滿負(fù)荷的情況下與試驗(yàn)的數(shù)據(jù)形狀幾乎一樣，但小功率的時(shí)候，由于圖形的簡(jiǎn)化和燃料的選取的因素導(dǎo)致了計(jì)算與試驗(yàn)的數(shù)據(jù)有所差距，但都在合理的范圍之內(nèi)。

圖8 不同Ne的OTDF計(jì)算值與試驗(yàn)值

3.5 氮氧化物生成特性分析

圖9右坐標(biāo)是CO生成濃度變化規(guī)律，左坐標(biāo)軸是NOx排放濃度的變化規(guī)律。隨著Ne的增大，NOx排放隨著溫度的升高而逐漸增加，受控于燃燒室內(nèi)溫度、氧濃度和燃燒區(qū)平均停留時(shí)間以及燃料與空氣的局部混合速率[7-10]。CO的濃度恰恰相反，隨著供油量的增大而逐漸減少，反映了燃油的燃燒效率。但由于結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化和燃燒條件簡(jiǎn)化使實(shí)際燃燒效率沒(méi)有達(dá)到99%以上，所以CO還有一小部分存在。

圖9 NOx排放(ppm@O215%)

圖中的Ne=0.3[h]代表中心區(qū)域開(kāi)始供少量油時(shí)的轉(zhuǎn)換狀態(tài)。圖10可以看出NOx排放濃度出現(xiàn)了短暫下降，由于中心區(qū)區(qū)域的剛開(kāi)始供油空氣系數(shù)比較大，所以NOx的出現(xiàn)了下降，但隨著中心區(qū)域供油加大NOx排放濃度也隨之增大。

圖10 NOx排放(ppm@O215%)

4 結(jié)論

本文通過(guò)某重型燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒計(jì)算和與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，得出以下結(jié)論：

(1) 在Ne=0、0.3、1.0工況下產(chǎn)生的高溫區(qū)都很長(zhǎng)，燃燒充分；在冷卻孔溫度下降明顯，有短暫的回升，溫度梯度較大；

(2)燃燒室的高溫主要產(chǎn)生在噴嘴附近位置，溫度的急劇變化也主要在噴嘴的位置；

(3)NOx排放濃度與平均溫度有關(guān)，當(dāng)中心區(qū)和環(huán)形區(qū)域一起供油的時(shí)候，NOx排放濃度增大；

(4) CO的排放濃度在Ne=0和0.3時(shí)，CO濃度隨著相對(duì)負(fù)荷的增大而減小，燃燒較為充分；當(dāng)Ne=0.3到1.0時(shí)，CO濃度幾乎不變；

(5) 通過(guò)計(jì)算可知，要想進(jìn)一步降低NOx，必須改變?nèi)紵Ｊ?，減少主油路的燃油量、增大副油路的供油量，加大燃料與空氣的預(yù)混時(shí)間。

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