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燃气轮机燃料/空气掺混规律的数值研究

作　者: 孙宝成
导　师: 李宇红
学　校: 清华大学
专　业: 动力工程及工程热物理
关键词: 数值模拟燃气轮机混合不均匀度 DLN燃烧室预混燃烧
分类号: TK471
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

燃气轮机作为一种高效、低污染的动力装置在动力工程领域中得到日益广泛的应用,降低燃气轮机的NOx排放指标也成为人们普遍关注的问题。燃烧室是控制NOx排放的关键部件,当今研究和开发的重要技术是DLN燃烧室。燃料和空气在进入燃烧室之前能够均匀混合,是DLN燃烧室进行稀相预混燃烧从而降低NOx排放量的前提和关键所在。为探讨各种因素对混合均匀性的影响规律及其定量描述,本文采用了数值模拟的方法,对一圆柱形射流预混段内甲烷和空气的混合情况进行了研究。所研究的预混流态为湍流预混,控制方程为雷诺平均N-S方程,湍流模型选用标准的k ?ε双方程模型,混合模型采用输运方程模型。计算采用有限体积法离散微分方程。计算结果与实验结果进行了对比,模拟得到的混合不均匀度的值与实验结果符合良好,验证了本文所用数值模拟方法的合理性和准确性。数值模拟了多种工况下,圆柱形射流预混段内甲烷与空气的掺混流场,得到出口处混合不均匀度值。研究了预混段长度、混合气体平均速度、进口湍流度、燃料和空气的射流动量比、化学当量比、温度、压力、进口旋流数和喷嘴个数等诸参数对混合不均匀度影响的定量规律,以及这些参数的相互关系。在此基础上,总结了包含以上参数的统一的函数关系,利用它可以预测其它条件下预混段的混合不均匀度,为预混性能预估和燃烧室预混段的设计提供了有价值的参考。用数值模拟的方法,对某燃气轮机燃烧室冷却段内的流动及冷却空气与高温燃气的掺混情况进行了研究,对比了实验结果,探讨了进口温度分布、冷却空气在上下壁面发分配比例、进口湍流度和射流动量比度等参数对冷却空气射流深度和出口温度场均匀性的影响。数值模拟结果为改进该燃烧室的设计以及优化冷却设计提供了有价值的参考。

全文目录

摘要  2-3
Abstract  3-10
第1章引言  10-27
  1.1 研究背景和意义  10-12
  1.2 燃烧室控制NOX 的措施  12-17
    1.2.1 燃烧室降低NOx 的方法  12-13
    1.2.2 DLN 燃烧技术介绍  13-17
  1.3 非均匀预混的研究进展  17-21
    1.3.1 非均匀预混对DLN 燃烧的影响  17-19
    1.3.2 非均匀预混的影响因素  19-21
  1.4 气体混合问题在燃烧室内的其它应用  21-22
  1.5 燃烧室的数值模拟进展  22-25
  1.6 课题的目的和内容  25-27
第2章湍流混合的数学模型  27-40
  2.1 引言  27
  2.2 基本方程  27-30
    2.2.1 守恒方程  27-29
    2.2.2 守恒方程的时均形式  29-30
  2.3 湍流模型  30-34
    2.3.1 湍流模拟的基本思想  30-32
    2.3.2 k- ε双方程模型  32-33
    2.3.3 代数应力模型  33-34
  2.4 湍流扩散理论与混合模型  34-37
    2.4.1 湍流扩散理论  34-35
    2.4.2 混合模型  35-37
  2.5 基于有限体积法的控制方程离散  37-39
    2.5.1 扩散项  37-38
    2.5.2 对流项  38
    2.5.3 源项  38-39
    2.5.4 非定常时间项  39
  2.6 本章小结  39-40
第3章圆柱形预混段内甲烷和空气的掺混规律  40-80
  3.1 预混段的几何结构  40-41
  3.2 计算方法  41-43
    3.2.1 计算域与计算网格  41-42
    3.2.2 边界条件  42
    3.2.3 计算过程  42-43
  3.3 混合不均匀度和相关参数的定义  43-44
  3.4 数值方法准确性的校验  44-45
  3.5 数值实验结果与分析  45-76
    3.5.1 数值实验工况的设定  45-46
    3.5.2 预混段长度对混合效率的影响  46-49
    3.5.3 燃气平均速度对混合效率的影响  49-50
    3.5.4 进口湍流度对混合效率的影响  50-52
    3.5.5 包含预混段长度、平均流速和进口湍流度的统一关系式  52-53
    3.5.6 射流动量比对混合效率的影响  53-62
    3.5.7 化学当量比对混合效率的影响  62-65
    3.5.8 温度对混合效率的影响  65-67
    3.5.9 压力对混合效率的影响  67-68
    3.5.10 空气旋流对混合效率的影响  68-70
    3.5.11 喷嘴个数对混合效率的影响  70-76
  3.6 统一的函数关系及其应用范围  76-79
  3.7 本章小结  79-80
第4章某燃气轮机燃烧室冷却段内高温燃气与冷却空气的掺混规律  80-95
  4.1 冷却段几何结构  80-81
  4.2 流场数值模拟方法  81-83
    4.2.1 网格生成  81-82
    4.2.2 边界条件  82-83
    4.2.3 计算过程  83
  4.3 燃烧室出口温度场均匀性的衡量参数  83-84
  4.4 数值模拟的结果与分析  84-94
    4.4.1 实验的测量条件和结果分析  84-85
    4.4.2 计算工况的设定  85-87
    4.4.3 进口温度场分布对出口温度场的影响  87-88
    4.4.4 冷却空气在上下壁面分配比例对出口温度场的影响  88-89
    4.4.5 进口湍流度对出口温度场的影响  89-90
    4.4.6 冷却段内的混合过程  90-93
    4.4.7 射流动量比对射流深度的影响  93-94
  4.5 本章小结  94-95
第5章结论与展望  95-97
  5.1 结论  95-96
  5.2 展望  96-97
参考文献  97-100
致谢  100-101
附录A 圆柱形预混段数值模拟结果  101-114
附录B 某燃气轮机燃烧室冷却段数值模拟结果  114-136
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  136

燃气轮机燃料/空气掺混规律的数值研究

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