劉國(guó)庫(kù)，劉瀟

1. 海裝沈陽(yáng)局駐沈陽(yáng)地區(qū)某軍事代表室，遼寧 沈陽(yáng) 110000

2. 哈爾濱工程大學(xué) 動(dòng)力與能源工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001

現(xiàn)代社會(huì)，人類對(duì)于環(huán)境問(wèn)題日益重視，因此對(duì)環(huán)境問(wèn)題也提出了更為嚴(yán)格的要求[1]。燃?xì)廨啓C(jī)作為現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的重要組成部分，實(shí)現(xiàn)其低排放和穩(wěn)定燃燒是科研人員的主要研究方向[1]。隨著人類文明的進(jìn)步，天然氣被大規(guī)模利用，它的低污染性得到了人們普遍的認(rèn)同與好評(píng)，在這種背景下，設(shè)計(jì)燃?xì)廨啓C(jī)時(shí)選擇天然氣作為燃料逐漸成為首選，且這種做法得到了認(rèn)可并蓬勃發(fā)展[2]。除此之外，分級(jí)燃燒技術(shù)有拓寬燃燒邊界和降低污染物排放的優(yōu)勢(shì)，同軸分級(jí)貧預(yù)混燃燒技術(shù)正是在此基礎(chǔ)上得到了發(fā)展，但此項(xiàng)技術(shù)也有它存在的問(wèn)題，即有點(diǎn)火成功率不高、容易熄火以及燃燒不穩(wěn)定等現(xiàn)象，因此研究值班級(jí)構(gòu)造的合理性以及探索較為合適的配氣組織方法就成為了解決上述問(wèn)題的重要基礎(chǔ)和必要前提。

近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)外專家及團(tuán)隊(duì)在這些方面上做了大量的數(shù)值模擬以及試驗(yàn)探究[3?9]。其中Sengissen 等[10]對(duì)某燃燒器值班效應(yīng)采用了大渦模擬(large eddy simulation，LES)研究，發(fā)現(xiàn)并總結(jié)了流場(chǎng)受值班級(jí)燃料量的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)：如果將值班級(jí)的燃料量調(diào)整為6%，會(huì)形成一個(gè)火焰可以很好地進(jìn)行傳播的區(qū)域，稱之為化學(xué)當(dāng)量比區(qū)域，并可以成功阻礙進(jìn)動(dòng)渦核 (precessing vortex core，PVC)的形成；如果將值班級(jí)燃料注入量調(diào)整為2%，火焰不穩(wěn)定并形成了PVC 結(jié)構(gòu)，使得值班級(jí)不具備穩(wěn)定燃燒的作用。Albrecht 等[11]通過(guò)研究更大的燃料空氣比范圍內(nèi)的火焰穩(wěn)定性發(fā)現(xiàn)，對(duì)于預(yù)混值班火焰，通過(guò)將燃料與空氣混合并將混合氣噴入值班級(jí)進(jìn)行燃燒的方式進(jìn)行調(diào)整，可以有效改善火焰的不穩(wěn)定燃燒現(xiàn)象，即使在焠熄邊界附近，火焰也可以保證燃燒。Emara等[12]通過(guò)研究旋流穩(wěn)定燃燒器值班噴射的穩(wěn)定性與邊界條件類型的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，在噴射區(qū)域較為合適的情況下，壓力振蕩會(huì)隨著值班級(jí)燃料的增加而明顯降低，但與此同時(shí)，氮氧化物的排放量也會(huì)隨之上升；當(dāng)向燃油中注入微量空氣時(shí)發(fā)現(xiàn)，燃燒器的燃燒特性也會(huì)隨著值班燃料的增加而增強(qiáng)，且值班噴射也會(huì)更加穩(wěn)定。石黎等[13]在氮氧化物的排放、速度情況、溫度分布以及氮氧化物生成速率等方面，對(duì)模型燃燒室中心級(jí)燃料比進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，并研究其規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)：氮氧化物的數(shù)值計(jì)算結(jié)果和規(guī)律在全負(fù)荷工況下與試驗(yàn)結(jié)果基本一致，由此可以推斷出在全負(fù)荷條件下，值班級(jí)燃料比的最優(yōu)值為6%；此外，燃燒室的局部溫度會(huì)隨著燃料比的上升而升高，這會(huì)增加熱力型NOx污染物的排放量，但是，該燃料比有一個(gè)邊界，可以通過(guò)改善值班級(jí)燃料分配，有效控制燃燒室的污染物排放。劉富強(qiáng)等[14]通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試了燃料分級(jí)策略對(duì)燃燒室氮氧化物排放的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)：值班級(jí)燃油對(duì)污染物排放影響較大，可以降低值班級(jí)燃料量；值班級(jí)燃料比為17%~20%時(shí)排放較為理想。

根據(jù)現(xiàn)有的國(guó)內(nèi)外研究?jī)?nèi)容可以了解到，多數(shù)研究聚焦于值班級(jí)燃料量對(duì)點(diǎn)火性能的影響，卻忽略了值班級(jí)燃料噴嘴的結(jié)構(gòu)形式、燃料孔直徑對(duì)點(diǎn)火性能的影響。在燃燒室設(shè)計(jì)過(guò)程中，這些重要參數(shù)都應(yīng)進(jìn)行探究。本文采用數(shù)值模擬的方法，探究了不同值班級(jí)結(jié)構(gòu)類型下，燃料孔直徑以及燃料分配方式對(duì)燃燒室流場(chǎng)及組分分布的影響規(guī)律，為后續(xù)的點(diǎn)火動(dòng)態(tài)性能研究提供了參考。

1 幾何結(jié)構(gòu)和模擬方法

1.1 燃燒器模型結(jié)構(gòu)

圖1所示的燃燒室為本文的研究對(duì)象，與一般的布置類似，在該燃燒器中，2 個(gè)旋流器處于軸向同心并位于燃燒室頭部，這樣的結(jié)構(gòu)可以使得再循環(huán)區(qū)穩(wěn)定在旋流器的區(qū)域。與一般旋流葉片結(jié)構(gòu)不同，該旋流器葉片布置有燃料孔，燃料通過(guò)燃料孔流入流道內(nèi)，并與流道內(nèi)的空氣流混合形成預(yù)混氣流，從而有利于燃燒。旋流器葉片采用主流的NACA 型線設(shè)計(jì)，如圖1(b)中所示進(jìn)氣方向和葉片前緣方向重合，從而使得總壓損失進(jìn)一步降低，在旋流器各級(jí)葉片上均勻開(kāi)設(shè)燃料孔以供給燃料，保證在每個(gè)氣流通道內(nèi)都有4 個(gè)燃?xì)馊肟诠┤細(xì)饬魅耄ＷC了燃?xì)獾木鶆蛐?；同時(shí)，旋流器的結(jié)構(gòu)呈收縮狀，值班噴管避免火焰回流傳到噴嘴處被燒蝕。模型燃燒室的火焰筒采用矩形設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，火焰筒的出口段采用錐形漸縮結(jié)構(gòu)。為了盡可能保證模擬燃燒室的真實(shí)性，模擬燃燒室尾部結(jié)構(gòu)也采用錐形收斂，并且起到燃燒室穩(wěn)定燃燒的效果。

圖1 燃燒器頭部模型示意

圖2為不同燃燒室頭部值班級(jí)結(jié)構(gòu)示意圖。中心值班級(jí)位置一共布置有9 個(gè)燃料孔，8 個(gè)燃料孔沿周向分布，在旋流器中心位置布置有1 個(gè)中心燃料孔。A 結(jié)構(gòu)采用的是將燃料噴嘴布置于值班級(jí)平面的方案（圖2(a)）；B 結(jié)構(gòu)采用的是在錐形中心鈍體斜面上設(shè)置燃料噴射孔的方式（圖2(b)）；C 結(jié)構(gòu)在B 結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在中心噴嘴處添加了一個(gè)內(nèi)錐形噴口（圖2(c)）。3 種噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖如圖2(d)所示，紅色輪廓線為各類噴嘴的外輪廓包絡(luò)線，圓點(diǎn)為燃料噴嘴的具體位置。

圖2 3 種頭部值班級(jí)結(jié)構(gòu)示意

1.2 數(shù)值方法

本文采用ANSYS18.2 對(duì)模型燃燒室進(jìn)行計(jì)算分析。湍流采用k-ε模型；本文選用的主要火焰面模型為小火焰生成流型（flamelet generated manifolds，F(xiàn)GM）層流火焰面模型，根據(jù)該火焰面模型來(lái)仿真燃燒室的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)特性。本文選用的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理為GRI3.0，該反應(yīng)機(jī)理具有53 組分，325 步詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，選用不可壓的理想氣體作為工作介質(zhì)，使用SIMPLE 算法，常規(guī)的二階差分格式。邊界條件按如下設(shè)置：

1）空氣進(jìn)口：采用質(zhì)量流量進(jìn)口邊界，需要給定進(jìn)口空氣的質(zhì)量流量、水力直徑、湍流強(qiáng)度、平均混合分?jǐn)?shù)和溫度。

2）燃料進(jìn)口：采用質(zhì)量流量進(jìn)口邊界，需要設(shè)定的參數(shù)與空氣進(jìn)口一致。

3）出口邊界：采用用壓力出口邊界，給定出口靜壓、溫度、湍流強(qiáng)度和水力直徑。

4）壁面：采用絕熱壁面，無(wú)滑移壁面邊界條件，不考慮壁面的傳熱影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性及模型驗(yàn)證

在利用模型燃燒室模擬計(jì)算的過(guò)程中，對(duì)所設(shè)計(jì)的模型燃燒室進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，劃分網(wǎng)格的數(shù)量和方式對(duì)模擬燃燒的精度和準(zhǔn)確度都有較大影響。圖3 分別對(duì)比了30 萬(wàn)、275 萬(wàn)、530 萬(wàn)、830 萬(wàn)網(wǎng)格下火焰筒中軸線Y處甲烷分布。從圖3中可以看出，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)小于530 萬(wàn)時(shí)，甲烷分布受網(wǎng)格數(shù)目影響較大；當(dāng)網(wǎng)格數(shù)大于530 萬(wàn)時(shí)，甲烷分布幾乎不再隨網(wǎng)格數(shù)量變化而變化。所以本文模擬計(jì)算采用530 萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格數(shù)。為了保證數(shù)值模擬的真實(shí)性和可靠性，對(duì)上述數(shù)值模擬方法進(jìn)行驗(yàn)證。圖4 給出了某模型燃燒室在Y=0.2 m 時(shí)軸向速度的實(shí)驗(yàn)值和模擬數(shù)據(jù)值比較。經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)兩者基本相近，說(shuō)明本文采用的湍流和燃燒模型是正確的。

圖3 不同網(wǎng)格數(shù)下中軸線處的甲烷分布

圖4 Y=0.2 m 時(shí)軸向速度情況

2.2 冷態(tài)場(chǎng)分析

首先對(duì)第一級(jí)值班級(jí)構(gòu)造進(jìn)行冷態(tài)場(chǎng)模擬，研究燃燒室模型在只通入空氣時(shí)的冷態(tài)流場(chǎng)分布及其特征，為研究熱態(tài)場(chǎng)的流場(chǎng)分布特點(diǎn)打好基礎(chǔ)。點(diǎn)火工況計(jì)算參數(shù)如表1 所示。

表1 點(diǎn)火工況參數(shù)

圖5給出了模型燃燒室中橫截面的軸向速度分布和流場(chǎng)跡線分布云圖。由軸向速度云圖可以看出，在旋流器出口附近與壁面處接觸的區(qū)域，由于旋流器結(jié)構(gòu)的存在，會(huì)產(chǎn)生較大的剪切區(qū)域，該區(qū)域是發(fā)生不穩(wěn)定燃燒的主要部分，此處軸速最大可達(dá)30 m/s；同時(shí)，由于存在旋流作用會(huì)使燃燒室中心區(qū)域形成中心再循環(huán)區(qū)域，再循環(huán)區(qū)域云圖呈現(xiàn)不同層次的規(guī)則的水滴形狀，每層的速度大小由中心到壁面依次增大，回流區(qū)的作用是穩(wěn)定火焰燃燒。由模型燃燒室存在的中截面的流場(chǎng)跡線圖可以看出，由于旋流器的旋流作用，在旋流器下游形成了2 個(gè)對(duì)稱且扁長(zhǎng)的旋渦結(jié)構(gòu)，形成模型燃燒室的中心回流區(qū)，該區(qū)域是燃燒反應(yīng)發(fā)生的主要區(qū)域，且燃燒穩(wěn)定。

圖5 中截面軸向速度情況與流線分布云圖

圖6給出了旋流器下游不同區(qū)域處的軸向速度情況。

圖6 旋流器下游不同區(qū)域的軸向速度情況

從圖6 中可以看出，在燃燒室內(nèi)軸向速度剪切層間距較寬，說(shuō)明該旋流器的旋流強(qiáng)度較高，進(jìn)而產(chǎn)生了中心回流區(qū)，這有利于燃燒室點(diǎn)火成功；由圖6 若干參考線軸向速度分布可知，在徑向距離X=0.28 m 時(shí)，軸向上速度均為正向，因此中心回流區(qū)一致延伸至X=0.28 m 的位置處才逐漸消失；旋流器下游不同區(qū)域處的軸向速度呈現(xiàn)雙峰值分布，原因是旋流器出口存在2 個(gè)對(duì)稱的剪切層，附近存在較大的速度梯度，由圖6 可以看出在X=0.28 m 區(qū)域處的旋流強(qiáng)度基本為零，中心再循環(huán)區(qū)域消失。

2.3 燃料孔直徑對(duì)流場(chǎng)特性的影響

原值班結(jié)構(gòu)的噴嘴端面開(kāi)設(shè)小燃料孔，一級(jí)主燃葉片設(shè)置為8 個(gè)，為達(dá)到甲烷分布對(duì)稱的目標(biāo)，現(xiàn)將中心區(qū)域布置為單軸孔，并在上面布置一周孔，數(shù)目為8 個(gè)。為便于研究，所有單軸和斜孔的孔徑都相同。本節(jié)先根據(jù)點(diǎn)火工況確定燃料供給量，之后改變孔徑以探究其對(duì)燃燒室流場(chǎng)結(jié)構(gòu)以及燃燒性能的影響。

初步設(shè)計(jì)燃料孔的直徑范圍為1.0~3.0 mm，燃料進(jìn)口質(zhì)量流量設(shè)置為總工作條件的5%~10%，因此可以根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程對(duì)燃料流速進(jìn)行初步估算。在真實(shí)燃燒室內(nèi)，燃料流速通常不會(huì)超過(guò)200 m/s，因此本文以200 m/s 為限制對(duì)燃料孔直徑是否合理進(jìn)行初篩。燃料流速是否大于200 m/s 的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2 所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，本文僅研究燃料孔直徑為2.5 和3.0 mm結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)特性。表2 給出了不同燃料量條件下燃燒室內(nèi)平均當(dāng)量比。

表2 燃料量與燃料孔直徑數(shù)值統(tǒng)計(jì)

圖7為改變?nèi)剂峡字睆綍r(shí)各結(jié)構(gòu)燃料分布圖。由圖7 可以看出，模型燃燒室中燃料的分布隨甲烷進(jìn)口質(zhì)量流量的增加而增加，特別是進(jìn)口燃料質(zhì)量流量在4.59~5.10 g/s 時(shí)，4.5%甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)等值線接近火焰墻面。在進(jìn)口燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)不變的情形下，擴(kuò)大孔徑，甲烷組分分布更加分散。

圖7 不同燃料孔孔徑與燃料量下的甲烷分布

甲烷噴射孔的孔徑為3.0 mm，圖8 為甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.5%的等值面分布。由圖8 可以看出，隨著燃料量的提高，燃料分布更加分散。這是由于燃料分布受空氣旋流速度場(chǎng)的影響比較大，燃料分布主要在剪切層附近，隨著燃料量的增加，甲烷沿剪切層擴(kuò)散得更遠(yuǎn)，更接近火焰筒的壁面。為了更清楚地說(shuō)明不同孔徑、不同供給策略下燃燒室內(nèi)燃料摻混水平，考慮對(duì)比不同策略下甲烷的最大穿透距離，本文定義甲烷的最大穿透距離為甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到4.5%水平時(shí)距離中軸線的徑向距離。

圖8 燃料孔直徑3 mm 時(shí)的甲烷分布

不同燃料孔直徑、不同燃料量下的徑向穿透深度變化曲線由圖9 所示。由圖9 中曲線分析可知，隨著進(jìn)口燃料量的增加，甲烷成分分布徑向穿透距離逐漸提高，燃料孔直徑3.0 mm 徑向穿透深度大于孔徑2.0 mm 的穿透深度。由此可見(jiàn)，影響甲烷分布的因素包括燃料射流速度以及旋轉(zhuǎn)器結(jié)構(gòu)等。另外，如果燃料孔直徑為3.0 mm，燃料分布將靠近火焰墻，使點(diǎn)火成功。

圖9 不同甲烷流量下徑向貫穿深度變化曲線

圖10展示了不同孔徑下進(jìn)口燃料量不同時(shí)中心再循環(huán)區(qū)域示意圖。分析圖10 可以得出，甲烷分布受旋流速度場(chǎng)和進(jìn)口質(zhì)量流量影響。

圖10 不同燃料量下的中心再循環(huán)區(qū)示意

表3提供了不同燃料孔直徑和不同甲烷流入流量的點(diǎn)火情況。點(diǎn)火區(qū)域接近墻壁，其中熱射流速度為20 m/s，射流溫度為3 000 K，點(diǎn)火時(shí)間為2.4 ms，射流半徑為3.5 mm。由點(diǎn)火數(shù)據(jù)可知，只有甲烷流入流量為5.10 g/s(即占全部條件燃料量的10%)時(shí)，才能點(diǎn)燃。

表3 壁面點(diǎn)火情況

圖11給出了不同孔徑在燃料量為5.10 g/s 時(shí)的溫度分布?？梢钥闯?.0 mm 燃料孔直徑由于噴入速度較小，火焰分布合理，有利于成功實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火過(guò)程。

圖11 2 種燃料孔直徑的溫度分布

2.4 頭部結(jié)構(gòu)對(duì)流場(chǎng)特性的影響

基于3 種不同的頭部結(jié)構(gòu)，本節(jié)主要研究甲烷分布及其對(duì)燃燒特性的影響。圖12 顯示了燃料量為5.10 g/s 的3 個(gè)頭部結(jié)構(gòu)的燃料分布。如圖12所示，B 型結(jié)構(gòu)和C 型結(jié)構(gòu)因燃料孔穿孔方式不同而不同；因此，與A 型結(jié)構(gòu)相比，B 型和C 型頭部結(jié)構(gòu)的軸孔和傾斜孔之間的影響較小。由于軸向孔中可以噴射更多甲烷，因此甲烷成分在B 型和C 型結(jié)構(gòu)的軸向中心軸上的穿透深度更大。觀察比較3 種燃料的軸向穿透深度和徑向穿透深度，A 型結(jié)構(gòu)和B 型結(jié)構(gòu)相似，但B 結(jié)構(gòu)穿透深度大，C 型結(jié)構(gòu)軸線和徑向穿透深度相對(duì)較小。

圖12 3 種頭部結(jié)構(gòu)燃料分布云圖

圖13為2 種頭部結(jié)構(gòu)燃料量5.10 g/s 時(shí)溫度分布云圖。與A 型結(jié)構(gòu)相比，B 型結(jié)構(gòu)頭部火焰結(jié)構(gòu)分布較為合適，且再循環(huán)區(qū)附近的火焰分布較均勻；可以發(fā)現(xiàn)B 型結(jié)構(gòu)的甲烷分布更加廣泛。

圖13 2 種頭部結(jié)構(gòu)的溫度分布云圖

2.5 燃料分配對(duì)流場(chǎng)特性的影響

點(diǎn)火條件下的燃油噴射是由值班噴嘴協(xié)同主燃燒一級(jí)一起噴射，可以調(diào)整甲烷的分級(jí)策略，達(dá)到控制排放的效果。本節(jié)在保證值班級(jí)和主燃一級(jí)的總?cè)剂狭坎蛔兊那疤幔饾u增加主燃一級(jí)的燃料量比例，以實(shí)現(xiàn)研究不同燃料供給策略下燃燒室燃料摻混以及燃燒性能的變化。

表4給出了11 種燃料策略。值班燃料從10%減少至0，主燃一級(jí)噴射的燃料從不供給燃料增加到10%。

表4 不同燃燒策略的兩級(jí)燃料分配

圖14和圖15 分別給出了不同燃料供給策略下的軸徑向貫穿距離和中截面質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布?？梢钥闯?，除值班噴嘴供給流量為5.10 g/s 時(shí)貫穿距離明顯大于其他工況，其他燃料分配情況下貫穿距離變化不大。

圖14 不同燃料分配的軸向與徑向貫穿距離

圖15 不同燃燒策略下中截面燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

圖16給出了不同燃料策略的溫度分布。如圖16 所示，不同燃料供給策略下，燃燒室的溫度場(chǎng)并沒(méi)有發(fā)生明顯變化，其高溫區(qū)主要集中在燃燒室中后段，因此在頭部整體當(dāng)量比不變的情況下，燃料分配比例并不會(huì)對(duì)燃燒性能產(chǎn)生太大影響，但是當(dāng)值班級(jí)燃料占比極小或者不供給燃料時(shí)，高溫區(qū)逐漸向頭部靠近，進(jìn)而產(chǎn)生回火的風(fēng)險(xiǎn)，因此值班級(jí)通常需要不斷的供給一定量的燃料以防止回火。

圖16 不同燃料分配的溫度場(chǎng)分布

3 結(jié)論

本文對(duì)基于值模擬技術(shù)的天然氣同軸分級(jí)燃燒室進(jìn)行了流場(chǎng)及燃燒場(chǎng)的數(shù)值模擬研究。主要結(jié)論如下：

1)值班燃料孔大、進(jìn)口燃料流量多時(shí)，模型燃燒室的燃料分布和點(diǎn)火特性較好。

2)與其他2 種頭部結(jié)構(gòu)相比，B 型結(jié)構(gòu)的頭部火焰分布合理，再循環(huán)區(qū)溫度較為均勻，更有利于實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火過(guò)程。

3)頭部當(dāng)量比不變的情況下，燃料分配策略基本不影響燃燒室整體溫度場(chǎng)分布。

4)對(duì)于該模型燃燒室，值班級(jí)燃料孔直徑選擇3 mm、值班噴嘴選擇B 型結(jié)構(gòu)、燃料流量選擇5.10 g/s 時(shí)，進(jìn)一步便利點(diǎn)火過(guò)程。