【摘要】：柔和燃燒具有低污染、燃燒穩(wěn)定、燃燒室溫度分布均勻、噪聲低等特點,有望解決不斷提高的燃燒室出口溫度需求和低NOx排放需求這一對矛盾。本文首先建立具有高速平行射流噴嘴的柔和燃燒試驗臺,通過實驗和模擬的方法對模型燃燒室的柔和燃燒特性進行研究,分析了柔和燃燒的實現(xiàn)條件。隨后,研究了不同當量比、射流速度、空氣預(yù)熱溫度以及空氣燃料預(yù)混不均勻度對流場分布、反應(yīng)區(qū)特征以及污染物排放的影響,得出了柔和燃燒的穩(wěn)定工況范圍。首先,對柔和燃燒室的冷態(tài)速度場進行了測量,并與不同湍流模型(standard k-ε,realizable k-ε,RNG k-ε,realizable k-ε2.0 and standard k-ε1.6)的數(shù)值模擬結(jié)果對比,對數(shù)值模擬結(jié)果進行了驗證,并選出適合柔和燃燒的數(shù)值模型。結(jié)果表明:standard k-ε和realizable k-ε2.0湍流模型在中心回流區(qū)和軸向峰值速度方面與實驗測量值吻合。改變realizablek-ε中的參數(shù)C2,從1.9變?yōu)?.0時,軸向速度峰值大大降低,回流區(qū)域的負向速度基本不發(fā)生變化。高溫煙氣的回流是實現(xiàn)柔和燃燒的重要手段,通過建立高溫煙氣內(nèi)循環(huán)化學(xué)網(wǎng)絡(luò)模型研究了實現(xiàn)柔和燃燒的回流比范圍,并結(jié)合CFD計算的回流比、實驗的火焰結(jié)構(gòu)分布以及污染物排放,進而確定實現(xiàn)柔和燃燒的條件。分析本文實驗中柔和燃燒的特點,結(jié)果表明,燃燒室的中心形成大回流區(qū),靠近壁面附近形成局部小回流區(qū),中心的低壓區(qū)域有利于高溫煙氣的回流。而OH自由基濃度測量結(jié)果表明反應(yīng)區(qū)分布在燃燒室的中心,整個體積內(nèi)的分布較為均勻。值班噴嘴在燃燒中起到點火的作用,也會影響柔和燃燒的燃燒特性。OH測量結(jié)果表明,值班噴嘴燃燒后產(chǎn)生的高溫煙氣會對主燃噴嘴的燃燒造成影響,OH自由基濃度場的分布變得不均勻,OH局部濃度較高,并向一側(cè)聚攏。關(guān)閉值班空氣后,流場分布結(jié)果表明,中心回流區(qū)域向燃燒室的上游移動,回流區(qū)域面積減小,值班噴嘴附近的旋流流場消失,回流作用減小。利用數(shù)值模擬方法、OH-PLIF激光測量、煙氣測量研究不同當量比、射流速度、不同空氣預(yù)熱溫度和不同預(yù)混不均勻度對流場分布、OH自由基濃度分布以及污染物排放的影響。結(jié)果表明,當量比在0.6-0.8,射流速度在68m/s-102m/s范圍內(nèi),不同運行參數(shù)的流場分布呈現(xiàn)出高度的“相似性”,無量綱軸向射流速度分布基本相同。隨著當量比的升高,OH濃度分布變得不均勻,OH濃度峰值增加,分布形狀改變,火焰抬升高度降低,NOx排放量增加。隨著射流速度的增加,OH分布形狀也呈現(xiàn)“相似性”,OH分布均勻性基本上不發(fā)生改變,火焰抬升高度降低,NOx排放量基本不發(fā)生改變,排放量都在5 ppm之內(nèi)。當空氣預(yù)熱溫度從293 K增加到455 K時,NOx排放量增加,特別在當量比大于0.65時;CO排放量降低,說明燃燒更加完全。另外,貧燃熄火極限從0.588降低到0.506,有利于拓寬柔和燃燒穩(wěn)定范圍。隨著預(yù)混不均勻度的降低,OH濃度分布變得更加均勻,火焰抬升高度降低,NOx排放量減小。通過以上內(nèi)容的研究,對平行射流燃燒器的柔和燃燒特性有了全面的了解。通過對燃燒室污染物低排放機理的深入分析,為今后燃氣輪機柔和燃燒室的設(shè)計和實驗提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論參考。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院工程熱物理研究所)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TK16
【圖文】：

根據(jù)２０１７年版《ＢＰ世界能源統(tǒng)計年鑒》［１］，２０１６年我國一次能源消費逡逑總量為３０５３．０邋Ｍｔ油當量，其中煤炭消耗量占總能源消耗量的６１．８３邋％，石油消逡逑耗量占１８．９６邋％，天然氣消耗量占６．２邋％，一次能源消費結(jié)構(gòu)比例如圖１．１所示，逡逑以煤炭、石油為主的化石燃料能源占據(jù)主要地位，可再生能源僅占很小的比例。逡逑化石能源的燃燒過程存在大量的問題，如能源效率利用率低、能源浪費；同時，逡逑化燃料的燃燒還會產(chǎn)生大量污染物，如ＣＯ：、ＮＯｘ、ＳＯｘ和顆粒粉塵等Q嚩居繡義蝦ξ廴疚錚蘋滴頤搶狄隕嫻幕肪常踩死嗟慕】島蛻緇岬某中⒄�。灾q忮義涎暇男問葡攏匭敫謀浠劑系睦孟腫矗跎儻廴疚锏吶歐擰Ｒ虼�，袠E義弦岣吣茉蠢寐剩⒗瞇履茉�，紤n棵禾考際醯那褰嗬茫罅Ψ⒄固烊誨義掀�、恒娚气壹s暗腿戎等劑系睦謾ｅ義希玻埃保賭晡夜淮文茉聰馴壤義希灣澹鄭鰣澹懾義稀魴撓汀鎏烊唬В沐巍齪四堋鏊堋瞿停保號嗽村義賢跡保卞危玻埃保賭晡夜淮文茉聰呀峁貢壤義希疲椋玨澹保卞澹裕瑁邋澹穡潁錚穡錚潁簦椋錚鑠澹錚駑澹澹睿澹潁紓澹悖錚睿螅酰恚穡簦椋錚鑠澹螅簦潁酰悖簦酰潁邋澹錚駑澹茫瑁椋睿徨澹椋鑠澹玻埃保跺義纖孀漚諛薌跖諾納釗敕⒄�，高效清絿喖烧茧H踔鸞サ玫礁鞴蒲泄ぷ髡叩鬧劐義鮮�。能源结箿夏调整和秸標G跖諾姆⒄掛蟠罅Ψ⒄谷計只�。扔孁轮机悼曬x戾義霞鄣汀⒌鞣逍閱芎謾⒂盟

本文編號：2764294