氣流入口條件對低旋流燃燒火焰穩定性的影響

陳立,李祥晟,楊詔,盧煉

(西安交通大學能源與動力工程學院,710049,西安)

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氣流入口條件對低旋流燃燒火焰穩定性的影響

陳立,李祥晟,楊詔,盧煉

(西安交通大學能源與動力工程學院,710049,西安)

為了研究低旋流燃燒器在噴嘴出口氣流平均速度為10.12～19.12 m/s、入口溫度為300～500 K、入口壓力為101.325～8×101.325 kPa條件下的火焰穩定性,對當量比為0.7的甲烷空氣預混氣體進行了數值模擬,分析了低旋流燃燒器的流場結構及火焰特性,揭示了燃燒穩定的根本原因。結果表明:低旋流燃燒器流場結構受氣流入口條件的影響較小,且能夠保持自相似特性;軸向和徑向速度延伸率以及虛擬原點的位置基本不受氣流入口條件的影響;低旋流燃燒器流場隨噴嘴出口氣流平均速度、入口壓力的增加,回火的可能性減小,隨入口溫度的提高,回火的可能性增大。綜合而言,低旋流燃燒器能夠在較寬氣流入口條件下保持火焰鋒面穩定,有利于燃燒器的穩定工作。

低旋流燃燒;自相似特性;火焰鋒面;回火

目前,燃氣輪機普遍采用干式低排放燃燒技術來降低NOx排放。作為一種新型的低排放燃燒技術,低旋流燃燒技術(LSC)具有燃燒穩定、NOx排放極低、不易回火及吹熄等[1]特點,應用前景廣闊。

Chan等最早提出低旋流燃燒的概念,并利用切向射流產生低旋流,從而穩定湍流預混火焰[2]。Johnson等通過實驗對比了高、低旋流燃燒的流場結構及NOx排放,發現低旋流燃燒流場不存在強烈的回流區,同時指出在保持CO排放基本不變的前提下,低旋流燃燒的NOx排放比高旋流燃燒降低大約60%[3]。Cheng等通過實驗研究了常溫、常壓下低旋流燃燒的流場結構,發現在不同速度下流場保持自相似特性,火焰鋒面不會隨速度的變化而發生較大移動[4]。Littlejohn等通過實驗研究了常溫、常壓下低旋流燃燒的燃料適應性,發現低旋流燃燒器無需進行較大改變即可適用于多種烷烴燃料[5]。Cheng等研究了常溫、常壓下燃燒室幾何結構對低旋流燃燒流場結構及火焰特性的影響,發現燃燒室直徑對中心回流區的大小及強度影響較大[6]。Neumayer采用渦耗散概念(EDC)模型和預混燃燒模型對低旋流燃燒進行了數值模擬,發現采用預混燃燒模型的模擬結果與實驗更加吻合[7]。

國內學者在低旋流燃燒方面也展開了相應研究。尹航等研究了不同安裝角下低旋流燃燒器的吹脫極限,發現在旋流器安裝角較大時,燃燒器穩定火焰的能力受當量比的影響較大[8]。柳偉杰等研究了當量比對LSC流場及火焰特性的影響,發現在富燃條件下,隨當量比增加,火焰托舉高度逐漸增大[9]。

由目前已有的研究文獻可以看出,大多數關于LSC的實驗研究和數值模擬都建立在常溫、常壓的基礎上,高溫、高壓下LSC的流場結構及火焰穩定性仍不清楚。工業燃機燃燒室一般工作在高溫、高壓環境,因此亟需開展相應條件下低旋流燃燒的火焰特性及其穩定性的研究?；诖?本文采用數值模擬方法,在考慮了不同入口速度、溫度、壓力對LSC的流場結構、自相似特性影響的情況下,分析了LSC的火焰特性,研究了LSC的回火性及火焰穩定性,揭示了LSC燃燒穩定的根本原因,以期為理解LSC在高溫、高壓環境下的燃燒特性及其在燃機燃燒室中的進一步應用奠定基礎。

1 燃燒器數值模擬

1.1 低旋流噴嘴

以美國勞倫斯伯克利國家實驗室Cheng采用的低旋流噴嘴[4]為參考,構建同尺寸幾何模型,如圖1所示。低旋流噴嘴由中心通道及旋流器組成,在中心通道下方安裝一多孔擋板。中心通道半徑Rc=20 mm,噴嘴出口半徑Rs=31.7 mm,旋流器葉片安裝角α=42°,旋流器長度Ls=28 mm,中心通道長度Lc=48 mm,氣流混合通道長度Li=95 mm,噴嘴出口保持45°傾角。預混氣流通過低旋流噴嘴,一部分由旋流通道產生高速旋流,另一部分直接通過中心通道,二股氣流經混合通道相互作用后進入半徑為100 mm、高度為450 mm的圓柱形燃燒室。

圖1 低旋流噴嘴幾何模型

氣流的旋流強度采用旋流數S[1]來表示,即

(1)

式中:R為Rc與Rs之比;m為通過中心通道的質量流量mc與通過旋流通道的質量流量ms之比。通過計算得到該旋流器的旋流數S=0.58.

1.2 網格劃分及邊界條件

本文采用商業軟件Fluent對當量比為0.7的甲烷空氣預混氣體進行數值計算,共考慮了3組冷態工況和7組熱態工況,具體條件見表1,其中U0=Q/A為噴嘴出口氣流平均速度,Q為通過噴嘴的體積流量,A為噴嘴出口截面積。湍流模型采用(Realizable)k-ε模型,近壁面處采用標準壁面函數法求解,組分模型采用部分預混燃燒模型,燃燒機理采用甲烷22組分簡化機理[10]。

表1 甲烷空氣預混氣體計算工況

采用文獻[11]方法設置了入口邊界條件。低旋流噴嘴的入口邊界均設為質量流量入口,出口邊界設為壓力出口。計算時采用結構化網格,如圖2所示,經網格無關性驗證,最終確定網格數為120萬。

圖2 低旋流噴嘴和燃燒室整體計算網格

2 結果分析

2.1 LSC流場結構

圖3給出了流動3和火焰3在中心平面上的相對軸向速度U/U0分布云圖?？梢钥吹?通過中心通道的氣流無旋流產生,在噴嘴出口形成平整的低速區;通過旋流通道的氣流產生高速旋流運動,并在噴嘴出口開始擴張,形成高速剪切區。

(a)冷態,流動3 (b)熱態,火焰3圖3 中心平面相對軸向速度分布云圖

隨著軸向距離的增加,U/U0逐漸減小至0,在遠離噴嘴出口的下游回流開始產生,冷態和熱態中對應的位置分別為x=110 mm和x=150 mm。在剪切區的外側,高速旋流卷吸其周圍的氣流,在靠近燃燒室壁面附近形成角回流區。與冷態相比,熱態氣流擴張角更大,中心回流區靠后,角回流區靠前。

2.2 U0、T0、P0對LSC流場自相似特性的影響

2.2.1 徑向分布 圖4給出了x=20 mm平面上在不同氣流入口條件下U/U0的徑向分布。由圖4a可以看到,在不同U0條件下,U/U0曲線幾乎重合,體現了LSC流場的自相似特性。在±34 mm處,曲線出現波峰,軸向速度達到最大,與旋流通道出口的高速剪切區對應。在-20 mm

圖5給出了x=20 mm平面上在不同氣流入口條件下相對徑向速度V/U0的徑向分布圖。由圖5a可以看到,在±34 mm處,曲線出現波峰,由于旋流器的省略,V/U0曲線在波峰處的模擬值較實驗值略微偏大。在-20 mm

2.2.2 軸向分布 在分析軸向速度分布時常引入虛擬原點x0[4]作為坐標原點,其定義如圖6所示。

根據噴嘴出口附近相對軸向速度線性段的斜率反推可得x0的位置,而U/U0曲線在噴嘴出口線性段的斜率即為軸向速度延伸率ax。

圖7給出了中心軸線上不同氣流入口條件下相對軸向速度的軸向分布圖。從圖7a中可以看到,在

(a)不同U0條件下 (b)不同T0條件下 (c)不同P0條件下圖4 相對軸向速度的徑向分布

(a)不同U0條件下 (b)不同T0條件下 (c)不同P0條件下圖5 相對徑向速度的徑向分布

圖6 虛擬原點x0定義

20 mm

(a)不同U0條件下 (b)不同T0條件下 (c)不同P0條件下圖7 相對軸向速度的軸向分布

通過上面的分析可以看到,采用部分預混燃燒模型得到的數值模擬結果與實驗值吻合較好,能夠很好地反映LSC的流場結構,同時U0、T0、P0對LSC流場徑向和軸向的速度分布影響較小,且能夠保持自相似特性,這就是穩定燃燒的內在原因。

2.3 U0、T0、P0對LSC火焰特性的影響

表2給出了LSC火焰的各項參數。由文獻[12]可知,火焰鋒面穩定在火焰傳播速度等于氣流速度的位置,即

(2)

表示在低旋流噴嘴出口,由于氣流的擴張運動,使得軸向速度U0逐漸減小,且在火焰鋒面位置xf處與火焰傳播速度相等,達到火焰穩定。在分析火焰穩定性時,ax和x0是2個非常重要的參數。ax為LSC流場中U/U0曲線在噴嘴出口處的斜率,斜率越大,軸向速度下降得越快,當火焰傳播速度等于氣流速度時,火焰鋒面距離噴嘴出口越近,回火就越容易;斜率越小,火焰鋒面距離噴嘴出口越遠,回火就越不易。虛擬原點x0的位置對應LSC流場中U/U0曲線下降的起點,x0的位置距離噴嘴越遠,火焰鋒面位置距離噴嘴出口越近,回火就越容易;相反,火焰鋒面位置距離噴嘴出口越遠,回火就越不易。從表2中可以看到,ax及ar的大小僅與冷、熱態相關,與氣流入口條件無關。相同條件下ax約等于ar的2倍,與文獻[4]中的研究結果一致。虛擬原點x0的位置隨U0、T0的增加而逐漸遠離噴嘴,但移動程度較小,隨P0的增加幾乎不變,說明虛擬原點x0受氣流入口條件的影響較小。

表2 LSC火焰各項參數

注:ST為湍流火焰速度;SL為層流火焰速度。

在分析了U0、T0、P0對ax、ar、x0的影響后,本文進一步研究了氣流入口條件對火焰回火及火焰鋒面位置的影響。當xf-x0=0時,燃燒室發生回火,xf-x0就是火焰鋒面相對虛擬原點的位置,因此U0、T0、P0變化對xf-x0的影響至關重要。在LSC流場中,湍流火焰速度ST與層流火焰速度SL、湍流脈動速度u′之間存在如下關系

(3)

對于甲烷燃料,k=2.16[4]。由式(2)、(3)可得

(4)

表2中SL的范圍約為0.15～0.55 m/s,與U0相比小1到2個數量級。由此可以推知:隨U0、P0的增加SL/U0的減小量較小,xf-x0的增量較小;隨T0的增加SL/U0的增量較小,xf-x0的減小量較小。該結果與表2中的結果也是一致的,由此可得,LSC在U0=10.12～19.12 m/s、T0=300～500 K、P0=101.325～8×101.325 kPa條件下,xf-x0變化不大,火焰鋒面可以保持穩定,這也是LSC流場能夠穩定燃燒的根本原因。

3 結 論

本文采用數值模擬方法研究了不同U0、T0及P0對低旋流燃燒火焰穩定性的影響,分析了低旋流燃燒的流場結構及火焰特性,得出的主要結論如下。

(1)U0、T0、P0對LSC流場軸向和徑向速度分布影響較小,且能保持自相似特性。

(2)ax、ar及x0幾乎不受氣流入口條件的影響。

(3)LSC流場隨U0、P0的增加回火的可能性減小,隨T0的增加回火的可能性增大。

(4)低旋流燃燒器在U0=10.12～19.12 m/s、T0=300～500 K、P0=101.325～8×101.325 kPa條件下,火焰鋒面可以保持穩定,有利于燃燒器的穩定工作。

[1] CHENG R K, FABLE S A, SCHMIDT D, et al. Development of a low swirl injector concept for gas turbines [C]∥Proceedings of 2001 International Joint Power Conference. New York, USA: ASME, 2001: 95-101.

[2] CHAN C K, LAU K S, CHIN W K, et al. Freely propagating open premixed turbulent flames stabilized by swirl [C]∥ International Symposium on Combustion. Amsterdam, Netherlands: Elsevier Inc., 1992: 511-518.

[3] JOHNSON M R, LITTLEJOHN D, NAZEER W A, et al. A comparison of the flowfields and emissions of high-swirl injectors and low-swirl injectors for lean premixed gas turbines [J]. Proceedings of the Combustion Institute, 2005, 30(2): 2867-2874

[4] CHENG R K, LITTLEJOHN D, NAZEER W A, et al. Laboratory studies of the flow field characteristics of low-swirl injectors for adaptation to fuel-flexible turbines [J]. Journal of Engineering for Gas Turbines & Power, 2006, 130(2): 277-285.

[5] LITTLEJOHN D, CHENG R K. Fuel effects on a low-swirl injector for lean premixed gas turbines [J]. Proceedings of the Combustion Institute, 2007, 31(6): 3155-3162.

[6] CHENG R K, LITTLEJOHN D. Effects of combustor geometry on the flowfields and flame properties of a low-swirl injector [C]∥ASME Turbo Expo 2008: Power for Land, Sea, and Air. New York, USA: ASME, 2008: 393-407.

[7] NEUMAYER M. RANS simulation of methane combustion in a low swirl burner [D]. München, Germany: Technische Universitaet München, 2013.

[8] 尹航, 鐘仕立, 戴韌, 等. 合成氣低旋流燃燒器設計與流動結構的分析 [J]. 動力工程學報, 2011, 31(2): 131-136. YIN Hang, ZHONG Shili, DAI Ren, et al. Design of low swirl syngas burner and analysis on the flow pattern [J]. Journal of Chinese Society of Power Engineering, 2011, 31(2): 131-136.

[9] 柳偉杰, 葛冰, 田寅申, 等. 當量比對甲烷預混低旋流燃燒的影響 [J]. 燃燒科學與技術, 2014(1): 65-69. LIU Weijie, GE Bing, TIAN Yinshen, et al. Equivalence ratio effects on low swirl combustion for premixed methane-air gas [J]. Combustion Science and Technology, 2014(1): 65-69.

[10]KAZAKOV A, FRENKLACH M. Reduced reaction sets based on GRI-Mech 1.2 [DB/OL]. [2015-03-16].

http: ∥combustion.berkeley.edu/drm/ 1994.

[11]LIU W, GE B, TIAN Y, et al. Experimental and numerical investigations of low-swirl multi-nozzle combustion in a lean premixed combustor [C]∥ASME Turbo Expo 2014. New York, USA: ASME, 2014: V04AT04A045.

[12]DAY M, TACHIBANA S, BELL J, et al. A combined computational and experimental characterization of lean premixed turbulent low swirl laboratory flames: ⅠMethane flames [J]. Combustion and Flame, 2012, 159(1): 275-290.

[本刊相關文獻鏈接]

胡鵬,王偉,鄧康耀,等.排氣再循環與燃燒邊界條件耦合對增壓汽油機有效熱效率的影響.2016,50(1):34-40.[doi:10.7652/xjtuxb201601006]

粘權鑫,郭少龍,方文振,等.液化天然氣浸沒燃燒式氣化器數值模擬方法研究.2016,50(1):67-71.[doi:10.7652/xjtuxb201601011]

崔雨辰,侯俊才,吳筱敏,等.負直流及低頻交流電場對預混火焰影響的實驗研究.2016,50(1):131-138.[doi:10.7652/xjtuxb201601020]

張聰,侯俊才,段浩,等.交流電場電壓幅值對球形火焰影響的理論研究.2015,49(11):33-38.[doi:10.7652/xjtuxb 201511006]

楊詔,李祥晟.高壓環境下高爐煤氣化學反應機理敏感性分析及機理簡化.2015,49(11):39-43.[doi:10.7652/xjtuxb 201511007]

高忠權,李春艷,藺子雨,等.采用離子電流法的甲醇發動機失火診斷.2015,49(11):44-48.[doi:10.7652/xjtuxb201511 008]

楊振中,秦朝舉,宋立業,等.傳統缸內壁面傳熱模型在氫內燃機中的適用性.2015,49(9):36-40.[doi:10.7652/xjtuxb 201509007]

湯成龍,司占博,張旭輝,等.稀釋氣對高甲烷含量天然氣燃燒特性的影響.2015,49(9):41-46.[doi:10.7652/xjtuxb 201509008]

李春艷,高忠權,劉兵,等.電極位置與電極面積對離子電流影響的試驗研究.2015,49(7):55-60.[doi:10.7652/xjtuxb 201507010]

李皓宇,劉敬樟.糠醛渣流化床燃燒過程中床料粘結機理研究.2015,49(6):145-150.[doi:10.7652/xjtuxb201506023]

高忠權,李春艷,劉兵,等.采用離子電流法的發動機非正常燃燒診斷.2015,49(5):1-6.[doi:10.7652/xjtuxb201505001]

崔雨辰,段浩,李超,等.電場分布對球形傳播火焰變形率的影響.2015,49(5):49-55.[doi:10.7652/xjtuxb201505008]

(編輯 苗凌)

Effects of Inlet Conditions on Low Swirl Combustion Flame Stability

CHEN Li,LI Xiangsheng,YANG Zhao,LU Lian

(School of Energy and Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

A numerical simulation of premixed methane-air gas at equivalence ratio 0.7 was conducted to investigate the flame stability of the low swirl combustion under the conditions of different bulk velocity from 10.12 m/s to 40.00 m/s, inlet temperature from 300 K to 500 K and inlet pressure from 101.325 kPa to 8×101.325 kPa. Mechanism of the combustion stability was revealed by analysis of flow field structure and flame characteristics of the low swirl injector. The results show that the bulk velocity, inlet temperature and inlet pressure exert small influences on the flow field structure, so the self-similar characteristics of the low swirl combustion remain. The mean axial aerodynamic stretch rate, the mean radial aerodynamic stretch rate and the virtual origin are almost not affected by the inlet conditions, which facilitates protecting the stability of flame front. The possibility of backfiring reduces with the increasing bulk velocity or the inlet pressure, while the possibility of backfiring increases with the increasing inlet temperature. The flame front of low swirl combustion retains its stability under wider inlet conditions.

low swirl combustion; self-similar characteristics; flame front; backfire

10.7652/xjtuxb201605017

2015-12-08. 作者簡介:陳立(1992—),男,碩士生;李祥晟(通信作者),男,講師.

時間:2016-03-01

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20160301.1015.004.html

TK47

A

0253-987X(2016)05-0114-06