低熱值氣體燃料燃燒室數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究

何敏，楊靈，馮大強(qiáng)，屈成澤

（中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院，四川江油621703）

1 引言

世界能源格局不斷變化，天然氣價(jià)格不斷上漲，與此同時(shí)，焦化、煤炭等企業(yè)附帶產(chǎn)出了大量焦?fàn)t煤氣、煤層氣等一些中、低熱值可燃?xì)怏w。為了安全起見(jiàn),對(duì)低熱值燃料大多采取放空和點(diǎn)燃排放的辦法，這不僅仍然給環(huán)境造成極大污染，也造成能源的巨大浪費(fèi)。因此，開(kāi)發(fā)以中、低熱值氣體為燃料的燃?xì)廨啓C(jī)必將產(chǎn)生巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，所以越來(lái)越受到廣泛的重視[1-3]。

氣體燃料的來(lái)源和產(chǎn)地不同，其熱值也就不同，一般稱小于7536.24 kJ/m3為低熱值，1800～15072.48 kJ/m3為中熱值，而大于15072.48 kJ/m3為高熱值[4]。黃磷尾氣是黃磷在生產(chǎn)過(guò)程中排放的尾氣，主要成分為CO，約占90%左右，其余為水蒸氣、粉塵、硫化氫（H2S）、磷（P）等組分。在燃機(jī)實(shí)際運(yùn)行中，黃磷尾氣經(jīng)除塵、干燥、凈化等工藝處理，最終進(jìn)入燃燒室燃燒的基本上為純的CO，其熱值約為10000 kJ/kg，屬低熱值燃料。

本文對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)低熱值燃料燃燒室進(jìn)行了數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究，所采用的燃料為純CO氣體[5]。

2 數(shù)學(xué)模型

某型發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)的流動(dòng)包含射流、混合流、強(qiáng)旋流及曲壁邊界層等一些復(fù)雜紊流流動(dòng)，雷諾數(shù)Re較高，因此湍流模型選擇使用RNG k－ε模型。

RNG k－ε模型基于重整化群理論，把紊流視為受隨機(jī)力驅(qū)動(dòng)的輸運(yùn)過(guò)程；通過(guò)頻譜分析，消去其中的小尺度渦，并將其影響歸并到渦黏性中，從而得到所需尺度上的輸運(yùn)方程。在高Re時(shí)，RNG模型的紊流動(dòng)能k及其耗散率ε的輸運(yùn)方程為

紊流渦旋黏性系數(shù)為

紊流動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)為

時(shí)均應(yīng)變率為

5個(gè)模型系數(shù)為[6]

其中

耗散率ε方程源項(xiàng)系數(shù)Cε1引入了1個(gè)附加產(chǎn)生項(xiàng)，該項(xiàng)主要是考慮流動(dòng)中的不平衡應(yīng)變率，能及時(shí)反映主流流動(dòng)情況，對(duì)具有大應(yīng)變率的流動(dòng)、強(qiáng)曲率影響和壁面約束的紊流分離流動(dòng)都起著重要作用[7]。由于該模型在一定程度上考慮了紊流的各向異性效應(yīng)，間接改善了對(duì)ε的模擬，增強(qiáng)了對(duì)較復(fù)雜紊流(旋流等)流動(dòng)的預(yù)測(cè)能力。

本文研究的低熱值氣體燃料的燃燒與液態(tài)燃料的燃燒都屬于擴(kuò)散燃燒，但氣態(tài)燃料的擴(kuò)散燃燒與液態(tài)燃料的擴(kuò)散燃燒不同，氣體燃料的燃燒中不包含氣液2相燃燒，不必先霧化、蒸發(fā)再與空氣混合。

雖然低熱值氣體燃料的燃燒不像氣液2相燃燒那樣復(fù)雜，但要對(duì)其進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，必須進(jìn)行簡(jiǎn)化，即利用燃燒模型模擬復(fù)雜的燃燒過(guò)程。由于低熱值氣體燃料燃燒室內(nèi)的流動(dòng)屬于湍流流動(dòng)，其燃燒受湍流脈動(dòng)的影響，各隨機(jī)變量如化學(xué)組分、氣流溫度、密度等都是時(shí)間和空間連續(xù)變化的函數(shù)。使用小火焰模型來(lái)描述湍流燃燒隨機(jī)過(guò)程，可以大大減少計(jì)算時(shí)間和計(jì)算量。文獻(xiàn)[8]采用小火焰模型對(duì)低熱值燃料的燃燒速率進(jìn)行模擬，與試驗(yàn)結(jié)果吻合得很好，因此，本文選擇小火焰模型。

混合分?jǐn)?shù)表示為原子質(zhì)量分?jǐn)?shù)

式中:Zi為元素i的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；下標(biāo)ox表示氧化劑流入口處的值；f uel表示燃料流入口處的值。

如果所有組分的擴(kuò)散系數(shù)相等，上式對(duì)所有元素都是相同的，且混合分?jǐn)?shù)定義是惟一的。因此，混合分?jǐn)?shù)等于燃料流元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

混合分?jǐn)?shù)與組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)、密度及溫度之間的關(guān)系可表示為

式中：Le為路易斯數(shù)；wi為化學(xué)組分i的質(zhì)量生成率；ε為耗散率；組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)、密度和溫度與混合分?jǐn)?shù)的函數(shù)關(guān)系細(xì)節(jié)依賴于對(duì)系統(tǒng)化學(xué)反應(yīng)的描述。

對(duì)于小火焰模型來(lái)說(shuō)，質(zhì)量混合分?jǐn)?shù)的計(jì)算由PDF概率密度函數(shù)得到。PDF密度函數(shù)為

式中：P(f,ε)為概率密度函數(shù)。

3 試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)裝置和方法

試驗(yàn)裝置包括空氣系統(tǒng)、電加熱系統(tǒng)、燃料系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)及燃燒室試驗(yàn)件等。

燃料系統(tǒng)的試驗(yàn)原理如圖1所示。

試驗(yàn)用的CO氣體純度大于99.5%，熱值約10000 kJ/kg，屬于低熱值燃料。CO氣體從儲(chǔ)存CO的標(biāo)準(zhǔn)鋼瓶引出，通過(guò)匯流排匯集到一起后，經(jīng)減壓閥2、手動(dòng)閥3進(jìn)入DI25質(zhì)量流量計(jì)，由其測(cè)量流量，再經(jīng)電動(dòng)閥7進(jìn)入混合器，最后經(jīng)電動(dòng)閥11進(jìn)入試驗(yàn)件。為防止CO中混入空氣（進(jìn)入試驗(yàn)件會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)），在試驗(yàn)中，于供CO之前，用氮?dú)馔ㄟ^(guò)電動(dòng)閥11排出燃料氣管道內(nèi)的空氣。

燃燒室試驗(yàn)件由前后測(cè)量轉(zhuǎn)接段、單管燃燒室（如圖2所示）、雙燃料噴嘴（如圖3所示）、高能點(diǎn)火系統(tǒng)等主要部件組成。在前測(cè)量轉(zhuǎn)接段上，設(shè)置了進(jìn)口氣流總壓、靜壓和總溫測(cè)點(diǎn)；在后測(cè)量轉(zhuǎn)接段上，設(shè)置了位移機(jī)構(gòu)，用以測(cè)量燃燒室出口溫度和總壓。

模擬成分在試驗(yàn)時(shí)，先向試驗(yàn)件提供煤油，并在常壓下點(diǎn)火；著火后，調(diào)節(jié)試驗(yàn)件進(jìn)口空氣狀態(tài)；待試驗(yàn)件進(jìn)口空氣調(diào)節(jié)到試驗(yàn)狀態(tài)后，向試驗(yàn)件內(nèi)供CO氣體進(jìn)行燃燒，同時(shí)，減少燃油供應(yīng)直至停止供油，再進(jìn)行試驗(yàn)狀態(tài)調(diào)節(jié)。

3.2 計(jì)算結(jié)果及分析

縱切面燃燒室內(nèi)氣流的速度矢量如圖4所示。從圖中可以看到，從環(huán)腔內(nèi)通過(guò)主燃孔進(jìn)入火焰筒的氣流流速很高，在主燃孔附近處形成1個(gè)氣柱狀的射流，有著明顯的穿透深度，對(duì)經(jīng)旋流器的氣流有著明顯的阻滯作用，這有利于回流區(qū)的形成；經(jīng)主燃孔射入火焰筒的空氣有一小部分進(jìn)入火焰筒頭部的回流區(qū)，大部分則順流流向下游；火焰筒內(nèi)氣流的低速區(qū)主要是在火焰筒頭部，由旋流器進(jìn)入火焰筒的氣流和經(jīng)主燃孔進(jìn)入火焰筒的氣流在火焰筒頭部形成1個(gè)明顯的回流區(qū)，回流區(qū)內(nèi)氣流速度很低，而在摻混區(qū)的則速度較高。

縱切面燃燒室內(nèi)的溫度如圖5所示。從圖中可以看到，火焰前鋒在回流區(qū)與順流區(qū)的過(guò)渡處，且隨著氣流流動(dòng)向火焰筒中心處集中，且火焰拖長(zhǎng)。燃燒室出口溫度分布與試驗(yàn)結(jié)果比較，其燃燒室出口溫度分布趨勢(shì)基本相同,中心區(qū)域溫度較高，如圖6所示。

燃燒效率隨余氣系數(shù)的變化如圖7所示。對(duì)燃燒效率可采用溫升法（即實(shí)際溫升與理論溫升的比值）計(jì)算，其表達(dá)式為

式中：Tt4為實(shí)際燃燒室出口平均溫度；Tt3為燃燒室入口平均溫度；Tt4th為理論計(jì)算的(完全燃燒時(shí))燃燒室出口平均溫度，利用燃燒過(guò)程前后的焓值守恒計(jì)算得到[9]。

當(dāng)余氣系數(shù)約為8.5時(shí)，其火焰筒頭部為化學(xué)恰當(dāng)比。從圖7中可以看到，數(shù)值計(jì)算求得的燃燒效率略高于試驗(yàn)值，由于未考慮對(duì)外界環(huán)境的對(duì)流換熱，因此也會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文的數(shù)值計(jì)算結(jié)果有助于了解燃燒室內(nèi)在燃燒低熱值氣體燃料時(shí)的燃燒流動(dòng)情況，可為低熱值氣體燃料燃燒室設(shè)計(jì)和試驗(yàn)提供參考。但數(shù)值計(jì)算模型是按照絕熱考慮的，未考慮機(jī)匣壁面與外界空氣的對(duì)流換熱，因此本文的研究方法還需進(jìn)一步改進(jìn)。

[1] 朱世瀾.國(guó)外中、低熱值氣體燃料開(kāi)發(fā)及應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)的概況[J].燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù),1991，4(2)：16-22.

[2] Gaseous fuels Capability of Industrial Gas Turbines[C].ASME Paper No 85-IGT-129.

[3] Development and Application of Industrial Gas Turbines for Medium-Bta Gaseous Fuels[C].ASME Paper No 85-GT-28.

[4] 焦樹(shù)建．燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000,

[5] 馮大強(qiáng),等．中低熱值燃料燃燒技術(shù)研究[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī),2010,36(1).

[6] Speziale C G,Thangam S．Analysis of an RNG Based Turbulence Model for Separated Flows[J].1nt．J．Engng．Sci．,1992．30(10)：l379～l388.

[7] 陳慶光，徐忠，張永建．RNG k-ε模式在工程紊流數(shù)值計(jì)算中的應(yīng)用[J].力學(xué),2003，24(1)：88-95.

[8] Takahisa Yamamoto,Low Heating Value Fuel Combustion：Flamelet Combustion Model and NO Formation[J].Journal of Propulsion and Power,2006,22(1).

[9] 金如山.航空燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室[M].北京：宇航出版社,1988:17.