邵志強(qiáng)，王?賽，趙云科，任彤彤，褚澤豐，楊文濤，劉?瀟

低排放塔式同軸分級旋流配比對燃燒流場的影響

邵志強(qiáng)1，王?賽1，趙云科1，任彤彤1，褚澤豐1，楊文濤2，劉?瀟2

(1. 中國航發(fā)沈陽發(fā)動機(jī)研究所，沈陽 110015；2. 哈爾濱工程大學(xué)動力與能源工程學(xué)院，哈爾濱 150001)

以天然氣-低排放塔式同軸分級燃燒室為研究對象，采用Realizable-湍流模型和FGM燃燒模型研究了旋流器旋流數(shù)對熱態(tài)流場的影響．結(jié)果表明：隨著二級旋流數(shù)增加，中心級和一級流量增加，二級流量減少，燃料摻混均勻性提高，均勻指數(shù)最大提高0.061；壓力損失小幅增加，而CO排放顯著減少，燃燒效率提高且超過99%；模擬的各工況溫度分布均勻，均形成穩(wěn)定的回流區(qū)，燃燒穩(wěn)定；對16種不同的旋流器方案進(jìn)行篩選，選出0.7/0.8旋流器方案為最佳方案．

同軸分級燃燒室；塔式旋流器；數(shù)值模擬；低排放

隨著我國生態(tài)文明建設(shè)的推進(jìn)，能源行業(yè)在排放方面的要求日漸提高．隨著研究的不斷深入，出現(xiàn)了實(shí)現(xiàn)燃機(jī)低排放要求的方案．旋流器是最能影響同軸分級燃燒室的結(jié)構(gòu)[1]．在以低污染為設(shè)計(jì)目標(biāo)的燃燒室中，旋流器既能夠穩(wěn)燃，也可以使燃料與空氣摻混．而在旋流器的結(jié)構(gòu)參數(shù)中，旋流數(shù)是一項(xiàng)極為重要的參數(shù)，采用適當(dāng)?shù)男鲾?shù)有利于改善燃燒室燃料與空氣的摻混效果，有效提高火焰的穩(wěn)定性[2]．所以，研究旋流器旋流數(shù)對熱態(tài)流場的影響有重要意義．

國內(nèi)外專家學(xué)者針對旋流器的種類對燃燒室熱態(tài)流場的影響做了大量的研究．林宇震等[3]研究了旋流器類型對冷、熱態(tài)流場的改變規(guī)律．結(jié)果顯示旋流器類型對旋轉(zhuǎn)的影響不大，主要參考旋流數(shù)來判斷旋流的大小[4]．Raj等[5]通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，旋流器葉片角對形成的回流區(qū)的大小有較大影響，在15°到60°葉片范圍內(nèi)，45°為最佳旋流葉片角．閆東博?等[6]研究了某型軸流旋流器，得到一級旋流強(qiáng)度最能改善回流區(qū)尺寸．張群等[7]研究了低旋流條件下的流場特點(diǎn)，研究發(fā)現(xiàn)出口呈噴射式結(jié)構(gòu)．武萍等[8]通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方法，在結(jié)果中總結(jié)出結(jié)論：兩級徑向旋流器以同方向0.7旋流數(shù)為最佳參數(shù)，大于1.0旋流數(shù)會產(chǎn)生較大的總壓損失，而旋流數(shù)為0.6時則過?。壳把芯繂渭壭髌鲗α鲌龅挠绊懭諠u成熟，但同時考慮一、二級旋流器旋流數(shù)的研究較少.

本文通過改變一級、二級旋流器的旋流數(shù)形成不同組合的旋流器方案，對天然氣低排放塔式同軸分級燃燒室進(jìn)行研究，得出旋流器旋流數(shù)對燃燒室流場和燃燒性能的影響．最后根據(jù)計(jì)算結(jié)果選出燃燒室燃燒性能最好的旋流器方案．

1?數(shù)學(xué)模型

1.1?Realizable k-ε湍流模型

在經(jīng)過試驗(yàn)后，決定使用改進(jìn)過的Realizable模型，能夠減少不符合實(shí)際的正應(yīng)力產(chǎn)生的現(xiàn)象發(fā)生.

1.2?FGM燃燒模型

本文采用FGM模型[9-10]進(jìn)行計(jì)算．進(jìn)程變量與混合分?jǐn)?shù)定義為[11]：

式中：H為氫原子的質(zhì)量分布，C為碳原子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)．

混合分?jǐn)?shù)與對流和擴(kuò)散有關(guān)，它的輸運(yùn)方程為：

2?物理模型及邊界條件

2.1?邊界條件

進(jìn)口總壓為1MPa，總溫600K；甲烷總流量為0.051175kg/s，進(jìn)口溫度300K；出口壓力為大氣壓，進(jìn)口邊界條件見表1．燃燒模型使用FGM燃燒模型，甲烷反應(yīng)機(jī)理使用GRI Mech3.0機(jī)理．

表1?進(jìn)口邊界條件

Tab.1?Inlet boundary conditions

2.2?物理模型

本文對LETCC-GF進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，其旋流器幾何模型為兩級軸向旋流器同向布置，具體旋流器和燃燒室結(jié)構(gòu)如圖1及圖2所示．

旋流器流量分級比為1∶9，旋流數(shù)為0.6～0.9，在范圍內(nèi)選4個區(qū)域，取0.6、0.7、0.8、0.9．具體各頭部旋流器參數(shù)由表2給出．

圖1?塔式旋流器結(jié)構(gòu)

對圖2所示模型燃燒室結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，以中心回流區(qū)軸向參數(shù)為指標(biāo)，進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性分析，見圖3．

圖2?模型燃燒室結(jié)構(gòu)示意

表2?模型燃燒室模擬的頭部結(jié)構(gòu)參數(shù)

Tab.2?The head structure parameters simulated in the model combustion chamber

圖3?不同網(wǎng)格尺度下軸向參數(shù)分布

3?結(jié)果分析

3.1?冷態(tài)場分析

3.1.1?對冷態(tài)場各級流量的影響

分析圖4可知，設(shè)計(jì)與實(shí)際流量之間存在偏差，設(shè)定流量分級比為1∶9，模擬結(jié)果為1∶6.5．由于實(shí)際進(jìn)氣方式等因素會存在些許誤差．二級旋流數(shù)對流量的影響較為主要．

3.1.2?對燃料與空氣摻混均勻性的影響

本節(jié)主要判斷模型燃燒室摻混度，其指數(shù)越大表明效果越佳．

圖4?旋流器各級流量對比

Fig.4?Comparison of flow rates at all stages of the cyclone

從圖5中可以看到二級旋流數(shù)對摻混影響最大，一級旋流數(shù)基本不發(fā)揮作用．摻混均勻性指數(shù)提高量最大達(dá)0.061．

圖5?旋流器出口燃料摻混均勻性指數(shù)

Fig.5　　Index map of fuel blending uniformity at the outlet of the cyclone

圖6展示了冷態(tài)狀況下一級旋流數(shù)為0.7、二級旋流數(shù)不同的出口以及中截面的CH4濃度云圖．分析可知，二級旋流數(shù)上升旋流器的摻混效果加劇，中截面上旋流器后方的甲烷濃度迅速降低，摻混效果越來越好．

圖6?旋流器的出口及局部中截面的CH4體積分?jǐn)?shù)分布

3.2?旋流器熱態(tài)溫度與速度分析

3.2.1?對溫度場的影響

圖7展示了燃燒室中截面溫度云圖，除一級/二級放流數(shù)0.8/0.6、0.9/0.6兩種旋流器方案出現(xiàn)小范圍的高溫區(qū)外，其他方案的溫度分布都很均勻．

從火焰角度考慮，火焰形態(tài)主要受二級旋流數(shù)影響較大．當(dāng)旋流數(shù)降低，剪切層產(chǎn)生的錐角變小；一級旋流數(shù)為0.6、0.7時的溫度相近，一級旋流數(shù)為0.8、0.9之間時溫度相近，但在0.7、0.8時溫度分布存在差異．

燃燒室溫度分布均小于2000K，部分位置高于1900K，該溫度下，熱力型NO生成量較低，實(shí)現(xiàn)了低污染的預(yù)混燃燒．

3.2.2?對速度場的影響

圖8展示了一級旋流數(shù)為0.7的模型燃燒室速度分布．通過分析，一級旋流數(shù)基本不影響速度場，二級旋流數(shù)對回流區(qū)中心位置影響不明顯．燃燒室中心速度梯度變化大，增強(qiáng)了回流區(qū)強(qiáng)度．各工況均形成了穩(wěn)定的回流區(qū)，利于穩(wěn)定燃燒．

圖7?燃燒室中截面溫度分布

圖8?模型燃燒室速度云圖

3.3?對回流區(qū)的范圍影響

圖9、圖10展示了一級旋流數(shù)為0.7時冷、熱態(tài)回流區(qū)尺寸對比．回流區(qū)形態(tài)隨著二級旋流數(shù)變化而周期性變化．從圖中可以清晰看到冷態(tài)的回流區(qū)大小要比熱態(tài)大．

由圖9、圖10可以看到，模型燃燒室的冷態(tài)的回流區(qū)的尺寸具有鮮明的特點(diǎn)，二級旋流數(shù)越大，冷態(tài)回流區(qū)越長．除一級/二級旋流數(shù)0.6/0.6和0.6/0.7工況外，冷態(tài)回流區(qū)尺寸和旋流器的流量規(guī)律相同．冷態(tài)條件下，流量為主要影響因素．0.6/0.6和0.6/0.7工況的回流區(qū)尺寸過小，因?yàn)橹蛋嗉壭纬傻幕亓鲄^(qū)與主回流區(qū)之間沒有聯(lián)系.

圖9?模型燃燒室冷態(tài)回流區(qū)的尺寸對比

圖10?模型燃燒室熱態(tài)回流區(qū)的尺寸對比

熱態(tài)的回流區(qū)的大小與旋流器旋流數(shù)沒有明顯的線性關(guān)系．但由圖11(b)、12(b)對比可知，當(dāng)二級旋流數(shù)為0.8、0.9時，回流區(qū)強(qiáng)于0.6和0.7，0.8與0.9工況相差不大．

對比圖11和12，發(fā)現(xiàn)氣體因?yàn)闇囟壬叨\(yùn)動加劇．二級旋流數(shù)為0.6、0.7和0.8時，熱態(tài)再循環(huán)區(qū)與冷態(tài)的變化趨勢相近，把二級旋流數(shù)設(shè)置成0.9的情況下，冷態(tài)和熱態(tài)場再循環(huán)區(qū)尺寸減小，綜上所述，二級旋流數(shù)選取0.7或0.8更為合適．

3.4?對燃料的影響

3.4.1?對壓力損失的影響

壓力損失是表示裝置消耗能量大小的技術(shù)指標(biāo)，常作為燃燒室性能考量的標(biāo)準(zhǔn)之一．其計(jì)算公式：

圖12?模型燃燒室回流區(qū)寬度變化

Fig.12　　Variation curve of the width of the recirculation zone of the model combustion chamber

由圖13可以觀察到，由于壓力勢能轉(zhuǎn)化為動能，導(dǎo)致了出現(xiàn)高流速現(xiàn)象．壓力損失、能量消耗會因?yàn)閮?nèi)外級氣流流動、流道氣流之間的剪切作用和流道結(jié)構(gòu)的阻礙增加，但增加較少，壓損系數(shù)最大增加量僅為1.118%．

圖13?模型燃燒室壓力損失

3.4.2?對NO排放的影響

在國際上，燃?xì)廨啓C(jī)污染物排放通常使用氧濃度15%時氮氧化物排放的計(jì)算公式，能較好地把當(dāng)量比影響氮氧化物排放的情況表現(xiàn)出來．氧濃度15%時氮氧化物排放可以通過公式(14)進(jìn)行計(jì)算[12]：

出口NO排放量如圖14所示，燃燒的主要趨勢為預(yù)混燃燒，燃燒區(qū)的溫度不夠，熱力型NO無法被激活，NO排放不太高，能夠?qū)崿F(xiàn)低污染物排放的要求．

圖14?模型燃燒室出口NOx排放變化

3.4.3?對CO排放影響

CO的排放受工況參數(shù)與燃燒區(qū)當(dāng)量比影響較大，究其原因是由于甲烷燃燒不充分所產(chǎn)生的．

從圖15可以看出，燃燒狀態(tài)中預(yù)混燃燒占據(jù)主導(dǎo)地位，部分條件下燃燒室的一氧化碳排放較高．一級旋流數(shù)對CO排放有影響，適當(dāng)增加二級旋流數(shù)，排放會隨之降低．其中，一級/二級旋流數(shù)0.8/0.9旋流器方案的CO排放量與0.8/0.6方案的CO排放量相比，降低了84.5%，減少量顯著．其原因是旋流強(qiáng)度達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)，會使尾部CO含量較高的氣體重新帶入再循環(huán)區(qū)進(jìn)行反應(yīng)，提高了氧化劑的停留時長，提高反應(yīng)的進(jìn)行度，減少了CO排放．

圖15?模型燃燒室CO排放變化

3.4.4?對燃燒效率的影響

本文燃燒效率采用燃?xì)夥治龇ㄟM(jìn)行分析計(jì)算. 其公式[13]為

各工況燃燒室效率如圖16所示，本文各條件下效率相近，均維持在99%以上，基本達(dá)到了完全燃燒的標(biāo)準(zhǔn)．

圖16?燃燒效率對比

Fig.16?Comparison of combustion efficiency

3.5?對不同結(jié)構(gòu)旋流器方案進(jìn)行篩選

根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果分析可知，篩選主要依據(jù)最高溫度、燃料殘留和一氧化碳等技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行全面考量．

具體標(biāo)準(zhǔn)為①不超過1900K，防止熱力型NO污染物的生成；②出口CO排放量不超過20×10-6，NO排放量不高于1×10-6；③出口天然氣殘留量不超過5×10-6，以免造成燃燒不完全；④盡量減小壓力損失，從而提高性能(見表2)．

通過模擬結(jié)果與具體標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，淘汰不符合標(biāo)準(zhǔn)的旋流器方案，然后再對比剩余旋流器方案的燃燒室回流區(qū)大小．增強(qiáng)摻混度，會減少局部高溫區(qū)的出現(xiàn)．因此，選取再循環(huán)區(qū)范圍更大的旋流器方案(見表3及表4)．

表3?模擬熱態(tài)結(jié)果表

Tab.3?Simulation results of thermal state

表4?模擬冷熱態(tài)回流區(qū)結(jié)果

綜上所述，一級/二級旋流數(shù)0.7/0.8的旋流器作為最佳旋流器是較為正確的選擇．

4?結(jié)?論

本文基于不同旋流數(shù)的旋流器與方形火焰筒組成的模型燃燒室，采用數(shù)值模擬的方式對其進(jìn)行研究，分析了冷態(tài)流場及熱態(tài)流場的影響，并對數(shù)值模擬過程中展現(xiàn)出的規(guī)律進(jìn)行概括總結(jié)．得到的結(jié)論如下：

(1)所設(shè)計(jì)的旋流器再循環(huán)區(qū)穩(wěn)定，燃燒效率都高于99%，燃燒已經(jīng)充分．

(2)旋流器各級流量變化受到二級影響大，燃料摻混均勻性主要受二級旋流數(shù)影響．二級旋流強(qiáng)度越大，燃料與空氣摻混越均勻，均勻性指數(shù)最大提高0.061．

(3)隨著二級旋流數(shù)增加，溫度分布更均勻，CO排放顯著減少，最大減小幅度達(dá)84.5%，火焰長度縮短，燃燒更穩(wěn)定．

(4)針對不同旋流數(shù)組成的16種旋流器方案，依據(jù)參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行篩選，最后選出一級旋流數(shù)為0.7，二級旋流數(shù)為0.8的旋流器作為最佳旋流器方案．

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Translated by Yao Qiang，Li Shuiqing，Wang Yu.：[M]. Beijing：Tsinghua University Press，2015(in Chinese).

Influence of Low Emission Tower-Type Coaxial-Staged Swirl Ratio on Combustion Flow Field

Shao Zhiqiang1，Wang Sai1，Zhao Yunke1，Ren Tongtong1，Chu Zefeng1，Yang Wentao2，Liu Xiao2

(1. AECC Shenyang Engine Research Institute，Shenyang 110015，China；2. College of Power and Energy Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China)

The natural gas-low emission tower coaxial staged combustor taken as the research object, the effects of swirl number of the swirler on the combustion characteristics were studied by using the Realizable k-turbulence model and the FGM combustion model. The results show that, with the increase of the secondary swirl number, the flow rate of the central stage and the primary stage increases, the secondary flow decreases, and the uniformity of fuel blending increases, with 0.061 as the maximum increase of uniformity index. The pressure loss increases slightly, the CO emission decreases significantly, and the combustion efficiency increases and exceeds 99%. The temperature distribution of each simulated working condition is uniform, a stable recirculation zone is formed, and the combustion is stable. 16 different cyclone schemes are screened, and the 0.7/0.8 cyclone scheme is selected as the optimal plan.

co-axial staged combustor；tower-type swirler；numerical simulation；low emission

TK11

A

1006-8740(2023)04-0475-08

10.11715/rskxjs.R202305027

2022-06-01．

國家科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2017-Ⅲ-0006-0031).

邵志強(qiáng)(1990—??)，男，碩士，工程師，690457524@qq.com.

劉?瀟，男，博士，副教授，liuxiao_heu@163.com．

(責(zé)任編輯：隋韶穎)