3D 打印燃氣輪機天然氣噴嘴的流場仿真分析

趙 林，邵方琴，曾 維，鄭高峰

（1.中國航發南方工業有限公司，湖南 株洲 412002；2.廈門大學儀器與電氣系，福建 廈門 361102）

1 引言

3D 打印技術是近年來發展較為迅速的新產業革命核心技術之一。這是一種增材制造技術，是依據所制造零件的三維幾何模型的數據，并利用設備以堆積材料成形的方法來實現制造的技術。3D 打印技術的特點是制造范圍廣泛、速度快、周期短，尤其適合于造型復雜零件的一體化制造，是一種非常有前景的制造技術手段，被廣泛應用于金屬零件制造、航空航天、醫療、汽車、海洋等各個領域[1]。該技術不僅可以大大簡化加工工序、減少產品的零件數量、縮短制造周期，同時還能解決許多傳統制造技術無法攻克的一系類問題[2]。3D 打印作為一種增材制造手段，易于實現復雜構件的一體化、快速制造，在燃氣輪機噴嘴優化設計、制造具有很好的技術優勢。相比現有機加工件組裝方法，3D 打印技術可以大幅簡化噴嘴的整體結構以及內部流道，并進一步減少噴嘴零件的數量、減輕噴嘴的整體重量、降低加工工藝的難度，促進了小型化燃氣輪機流道優化設計和便捷制造。相比燃油，天然氣作為氣體燃料更有易于實現與空氣等助燃劑的充分、均勻混合；有助于促進燃料的充分燃燒，提高功率輸出密度、減少污染物，成為了高效、環保燃氣輪機發展的主流[3]。天然氣密度低、流動速度快，而燃氣噴嘴流道結構直接決定了噴嘴射流的外流場分布狀況以及和空氣的摻混效果，是燃燒室中火焰特性和天然氣燃燒狀態控制的核心。開展數值模擬仿真研究，進行天然氣噴嘴噴射狀態與流場分布的優化，成為該領域發展研究的熱點。

中國科學院先進能源動力重點實驗室（工程熱物理研究所）的文獻[4]采用有限元數值模擬的方法對燃氣輪機燃燒室內的天然氣燃料與空氣之間摻混的均勻性問題進行了研究，結果表明，燃氣燃料與空氣間摻混的均勻性問題對后續燃燒情況的重要性。英國倫敦大學學院的文獻[5]采用大渦模擬（LES）的方法對不同噴嘴壓力比NPR（8.5、10、30、70）下氫氣的欠膨脹射流特性進行了數值模擬研究，通過氫氣燃料和甲烷燃料的對比結果表明，噴嘴壓力比的大小會對混合燃料在局部處有很大影響。美國馬里蘭大學帕克分校的文獻[6]對甲烷燃氣在不同體積下的柔和燃燒室中的燃燒狀態進行了研究分析，結果表明，不同體積下柔和燃燒室的流場跡線不同，增大燃燒室的體積會使回流比例增加，同時回流區也會變小，從而導致燃燒前燃燒室內的氧化劑溫度增大、含氧量降低，并進一步使得NOx排放量減小。伊朗Amirkabir University of Technology 大學的文獻[7]基于有限元數值模擬的方法對不同旋流數0.3、0.5、0.6 下模型火焰的流場分布狀況及燃燒特性進行了相關的研究，研究表明，在高旋流數下模型火焰會呈沙漏形，而在低旋流數下模型火焰會有徑向收斂的趨勢。噴嘴燃油噴射流場是決定油料燃燒和動力效率的核心，流場仿真優化業已成為燃氣輪機燃油噴嘴流道優化設計重點。3D 打印技術的引入促進了一體化流道的開發設計，在提升混合均勻性、燃料使用效率等方面具有明顯優勢。但對一體化流道設計規則與流場行為仍不清楚，有待進一步深入研究以促進3D 打印技術在動力機械制造領域的應用。

主要仿真研究3D 打印天然氣噴嘴工作中的流場特性。使用FLUENT 仿真軟件對噴嘴流場在不同壓力工況下的工作狀態進行了穩態數值模擬計算，得到了常溫常壓條件下噴嘴的工作狀態，內外流場天然氣的分布情況及體積流量、質量流量、不均勻度、阻塞點的壓力值等氣流的流動特性，由于噴嘴內外場氣流的特性對燃氣輪機的燃燒效率、火焰長度以及燃燒穩定性有決定性作用，掌握氣流流動特性是燃料在高速流動中實現穩定和完全燃燒的重要條件，為安全穩定運行及合理組織流場進而有效降低污染物排放提供參考依據。

2 天然氣噴嘴穩態流場的數值模擬

2.1 噴嘴噴射流場模型建立和網格劃分

使用三維幾何軟件Solidworks 對3D 打印天然氣噴嘴模型進行建模，提取對應的天然氣流道模型，如圖1 所示。天然氣噴嘴整體軸向長度為168.69mm，其進口直徑為20.37mm；出口端面為平面，采用多孔出氣結構，出氣口數量有45 個，直徑為2.19mm，呈圓周均勻分布。同時構建（0.3×0.2）m 的圓柱型外場，如圖2 所示。

圖1 3D 打印模型內流場示意圖Fig.1 Schematic Diagram for the Inner Flow Path of the 3D Print Model

圖2 3D 打印模型天然氣噴嘴仿真模型與網絡劃分Fig.2 Simulation Model and Mesh Generation for the 3D Printing Natural Gas Nozzle

由于天然氣流道模型復雜，而非結構化網格對幾何模型的適應性較好，可以對復雜區域進行網格劃分，因此使用ANSYS ICEM CFD 軟件對研究模型進行非結構化網格劃分，網格總數約為750 萬，如圖2 所示。

2.2 流場仿真模型邊界條件設置

對3D 打印模型進行邊界條件設置。整個仿真過程遵循能量守恒、動量守恒、質量守恒等相關定律。為了簡化仿真計算，將天然氣簡化為甲烷進行穩態流場仿真，將甲烷設為理想氣體。

分別仿真分析噴嘴由進口壓強為0.025MPa、0.05MPa、0.075MPa、0.1MPa、0.15MPa、0.2MPa、0.3MPa、0.5MPa 不同工況下的流場特性；這些工況中其靜壓全為0MPa，溫度為環境溫度25℃。外場四周均設為壓力出口條件，壁面設置為標準壁面條件。操作壓力為大氣壓，溫度設為常溫。采用SIMPLE 壓力速度耦合求解器，各離散格式均采用一階迎風格式。同時，分別選取了Standard、RNG、Realizable 三種k-epsilon 湍流模型進行仿真研究，并對比其仿真效果。結合對比試驗的結果，最后選擇了Realizable 湍流模型進行仿真研究。

3 基于穩態流場的天然氣噴嘴數值模擬結果分析

使用FLUENT 仿真軟件對3D 打印模型在不同壓力工況下進行穩態數值模擬計算，得到內外流場分布情況及體積流量、質量流量、不均勻度等流動特性的對比結果。

3.1 仿真流場分布狀況分析

利用FLUENT 軟件建立3D 打印模型在噴射方向上的截面，并通過FLUENT 自帶的后處理功能顯示機加組合模型和3D 打印模型在這個截面上的速度云圖，如圖3 所示。噴嘴出口處氣體速度隨著供氣壓強增加而增加，其變化曲線，如圖4 所示。當供氣壓強由0.025MPa 增加到0.5MPa 時，出口處氣體速度由185.92m/s 上升到514.28m/s，速度增速逐步變緩趨于穩定。

由圖3 可知，噴嘴的初始射流都是先匯聚成一束，并呈集束形長條狀射出，且隨著壓力工況的增大其約束作用越明顯。雖然在0.025MPa 時，由于噴射動力不足而導致發散了，但總體而言，流場的分布都較為均勻，速度梯度呈穩定變化，無明顯的發散趨勢，說明其天然氣噴射狀況良好；其中出口速度分布較為均勻，滿足噴嘴出口速度分布均勻的要求，但速度較大，這主要是因為過渡段出口處為收斂性通道，燃氣的靜壓轉化為動壓所致，這樣可以防止出口速度過低造成回火，使噴嘴燒損。

圖3 不同供氣壓強條件下3D 打印噴嘴射流噴射氣體速度分布云圖Fig.3 Gas Velocity Distribution of the 3D Printing Spray Under Different Pressures

圖4 3D 打印噴嘴出口處氣體速度Fig.4 Gas Velocity at the Exit of the 3D Printing Nozzle Different Working Pressures Conditions

選取兩個模型0.025MPa、0.2MPa、0.5MPa 三個具有代表性的工況下的速度跡線圖進行對比分析，如圖5 所示。

圖5 3D 打印模型的天然氣噴嘴噴射氣體速度跡線圖Fig.5 The Gas Velocity Trace of the Gas Jet from the Gas Nozzle of the 3D Printed Model

天然氣噴嘴內部流道復雜，內流場中噴射氣體在拐角的壁面處容易形成渦流，如圖5 所示。在外流場中，在低壓工況0.025MPa時，由于噴射壓力較小，兩個設計方案模型的噴射流均在距離噴嘴出口0.1m 左右處發散；在其它壓力工況下，噴嘴噴出的高速射流都先匯聚成一束，并呈集束形長條狀射出。同時噴射流會由于巨大的徑向壓力差和紊動擴散作用帶動周圍的空氣運動。

一般而言，在燃氣噴嘴的外流場射流中可能會形成幾何回流區和中心回流區[8]。其中，幾何回流區通常情況下是由于邊界層效應所導致的、發生在噴嘴出口位置附近的回流區，其形成與噴嘴出口的結構密切相關。幾何回流區能夠有效地對出口燃氣進行混合，有利于后續的燃燒過程。而中心回流區一般出現在噴射流的下游區域，它是由于高速的射流在巨大的徑向壓力差和紊動擴散作用下帶動了周圍低速的空氣運動，從而形成的低壓回流區。中心回流區能通過對燃氣的卷吸作用，使燃氣燃料和空氣摻混的更加均勻，并使燃氣的停留時間變長，從而有利于燃燒過程的發生。一般認為中心回流區理論上是燃燒過程中最穩定的著火點[9-10]。

由仿真結果可知，供氣壓強決定了外流場分布狀態，進一步對比分析低供氣強與高供氣強不同工況的流場特性。（1）在低壓時（0.025MPa），由于噴射壓力較小，3D 打印模型的射流流束在距離噴嘴出口0.1m 左右處發散，在射流場中分別形成了上下對稱分布的幾何回流區和中心回流區，且兩個回流區都較為靠近噴嘴出口的位置；（2）在高壓時（0.2MPa、0.5MPa），噴嘴噴出的高速射流都先匯聚成一束，并呈集束形長條狀，3D 打印模型只有在低壓力下才形成較為明顯的幾何回流區。從圖中可以看到，中心回流區位置隨著壓力的增大而逐漸向遠端區域移動，直至超過數值模擬的計算區域。

綜上所述，通過對3D 打印模型天然氣噴嘴的外流場分布狀況進行數值模擬，分析了天然氣噴嘴的噴射特性，明確天然氣與空氣的摻混狀態、流場分布，為燃燒室中天然氣燃燒狀態的仿真提供理論基礎。

3.2 天然氣噴嘴噴射仿真結果分析

基于仿真結果進一步分析了天然氣噴嘴體積流量、質量流量、不均勻度等氣流的流動特性；分析了不同壓強工況下的結果進行研究分析，并得到其體積流量阻塞點處的壓力值。

3.2.1 體積流量及其阻塞點處的壓力值

不同供氣壓強時天然氣噴嘴噴射過程的體積流量，如圖6所示。體積流量會先隨著工況壓力的增大而增大。當供氣壓強為0.15MPa 時逐漸趨于平緩，最終體積流量穩定在0.0355m3·s-1左右。因此，其體積流量阻塞點處的壓力值為0.15MPa，當壓力工況大于該值后，體積流量基本保持不變。

圖6 3D 打印模型在不同壓強工況下的體積流量Fig.6 Volume Flowrate of the 3D Printing Model Under Different Working Pressures Conditions

3.2.2 質量流量

3D 打印模型在不同壓力工況下的質量流量仿真結果，如圖7 所示。3D 打印模型的質量流量隨著壓力工況的增大而呈線性增大；因此其質量流量的最大值出現在0.5MPa 處，其值為0.134kg·s-1。

圖7 3D 打印模型在不同壓強工況下的質量流量Fig.7 Mass Flow Rate of the 3D Printing Model Under Different Working Pressures Conditions

3.2.3 不均勻度

通過FLUENT 軟件建立距離噴嘴出口70mm 處的截面，然后計算3D 打印模型在該截面處不同壓強工況下的不均勻度，如圖8 所示。3D 打印模型在距離噴嘴出口70mm 處的不同壓強工況下的不均勻度小于0.37，進一步說明其射流噴射狀況較為良好。3D 打印模型在壓力工況小于0.2MPa 以下時，3D 打印模型的不均勻度隨工況的增大呈不規則變化，當壓力工況在0.2MPa 以上時，3D 打印模型的不均勻度隨工況的增大而增大。這說明射流速度越大，其射流分布狀態越發紊亂。

圖8 3D 打印模型的天然氣噴嘴在各壓力點工況下的不均勻度Fig.8 Nonhomogeneity of the 3D Printing Nature Gas Nozzle Under Different Working Pressures Conditions

4 結論

使用FLUENT 仿真軟件對3D 打印模型的天然氣噴嘴在8個壓力點工況（0.025MPa、0.05MPa、0.075MPa、0.1MPa、0.15MPa、0.2MPa、0.3MPa、0.5MPa）下的流場分布狀況以及氣流的流動特性進行了數值模擬研究，為3D 打印噴嘴在燃氣輪機中安全穩定運行及合理組織流場提供參考依據，為燃氣輪機控制燃氣輸入提供了數據支持。研究結果表明：

（1）在流場分布狀況方面，除了在0.025MPa 下由于噴射動力不足導致了發散以外，其他工況下的外流場射流都先匯聚成一束，并呈集束形長條狀射出，說明其噴射狀況都較為良好。同時，在天然氣噴嘴的外流場中會形成上下對稱分布的幾何回流區和中心回流區，且幾何回流區會隨著工況壓力的增大而逐漸消失，中心回流區隨著工況壓力的增大而逐漸向下游區域移動。

（2）天然氣噴嘴的流動特性數值模擬分析：研究表明，天然氣噴嘴的體積流量會先隨著工況壓力的增大而增大，并在0.15MPa 處逐漸趨于平緩，體積流量阻塞點處的壓力值為0.15MPa；質量流量隨著壓力工況的增大而呈線性增大；3D 打印模型在距離噴嘴出口70mm 處的不同壓強工況下的不均勻度小于0.37，3D 打印模型的不均勻度在低工況下時隨工況的增大呈不規則變化，當壓力工況在0.2MPa 以上時，3D 打印模型的不均勻度隨工況的增大而增大。天然氣噴嘴的體積流量、質量流量、不均勻度在壓力點工況下的極大值（極小值）分別為0.0355m3·s-1（0.0252m3·s-1）、0.1341kg·s-1（0.0203kg·s-1）、0.364（0.261），同時其體積流量阻塞點處的壓力值為0.15MPa，所計算壓力值都材料正常工作允許的范圍，可保證燃氣輪機噴嘴的正常工作。

流場仿真表明所設計的3D 打印天然氣噴嘴可滿足燃氣輪機工作需求，明確了噴嘴中天然氣流場的分布特征也將為燃氣輪機的控制與優化提供了基礎。