氣流入口條件對低旋流燃燒火焰穩(wěn)定性的影響

陳立,李祥晟,楊詔,盧煉

(西安交通大學(xué)能源與動力工程學(xué)院,710049,西安)

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氣流入口條件對低旋流燃燒火焰穩(wěn)定性的影響

陳立,李祥晟,楊詔,盧煉

(西安交通大學(xué)能源與動力工程學(xué)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(wěn)定性,對當(dāng)量比為0.7的甲烷空氣預(yù)混氣體進行了數(shù)值模擬,分析了低旋流燃燒器的流場結(jié)構(gòu)及火焰特性,揭示了燃燒穩(wěn)定的根本原因。結(jié)果表明:低旋流燃燒器流場結(jié)構(gòu)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(wěn)定,有利于燃燒器的穩(wěn)定工作。

低旋流燃燒;自相似特性;火焰鋒面;回火

目前,燃?xì)廨啓C普遍采用干式低排放燃燒技術(shù)來降低NOx排放。作為一種新型的低排放燃燒技術(shù),低旋流燃燒技術(shù)(LSC)具有燃燒穩(wěn)定、NOx排放極低、不易回火及吹熄等[1]特點,應(yīng)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(chǎn)生低旋流,從而穩(wěn)定湍流預(yù)混火焰[2]。Johnson等通過實驗對比了高、低旋流燃燒的流場結(jié)構(gòu)及NOx排放,發(fā)現(xiàn)低旋流燃燒流場不存在強烈的回流區(qū),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(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)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(fā)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(yīng)性,發(fā)現(xiàn)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?guī)缀谓Y(jié)構(gòu)對低旋流燃燒流場結(jié)構(gòu)及火焰特性的影響,發(fā)現(xiàn)燃燒室直徑對中心回流區(qū)的大小及強度影響較大[6]。Neumayer采用渦耗散概念(EDC)模型和預(yù)混燃燒模型對低旋流燃燒進行了數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)采用預(yù)混燃燒模型的模擬結(jié)果與實驗更加吻合[7]。

國內(nèi)學(xué)者在低旋流燃燒方面也展開了相應(yīng)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(fā)現(xiàn)在旋流器安裝角較大時,燃燒器穩(wěn)定火焰的能力受當(dāng)量比的影響較大[8]。柳偉杰等研究了當(dāng)量比對LSC流場及火焰特性的影響,發(fā)現(xiàn)在富燃條件下,隨當(dāng)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(shù)關(guān)于LSC的實驗研究和數(shù)值模擬都建立在常溫、常壓的基礎(chǔ)上,高溫、高壓下LSC的流場結(jié)構(gòu)及火焰穩(wěn)定性仍不清楚。工業(yè)燃機燃燒室一般工作在高溫、高壓環(huán)境,因此亟需開展相應(yīng)條件下低旋流燃燒的火焰特性及其穩(wěn)定性的研究?；诖?本文采用數(shù)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(jié)構(gòu)、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(wěn)定性,揭示了LSC燃燒穩(wěn)定的根本原因,以期為理解LSC在高溫、高壓環(huán)境下的燃燒特性及其在燃機燃燒室中的進一步應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 燃燒器數(shù)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(gòu)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(yù)混氣流通過低旋流噴嘴,一部分由旋流通道產(chǎn)生高速旋流,另一部分直接通過中心通道,二股氣流經(jīng)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(shù)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(zhì)量流量mc與通過旋流通道的質(zhì)量流量ms之比。通過計算得到該旋流器的旋流數(shù)S=0.58.

1.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件

本文采用商業(yè)軟件Fluent對當(dāng)量比為0.7的甲烷空氣預(yù)混氣體進行數(shù)值計算,共考慮了3組冷態(tài)工況和7組熱態(tài)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(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法求解,組分模型采用部分預(yù)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(yù)混氣體計算工況

采用文獻[11]方法設(shè)置了入口邊界條件。低旋流噴嘴的入口邊界均設(shè)為質(zhì)量流量入口,出口邊界設(shè)為壓力出口。計算時采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,如圖2所示,經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性驗證,最終確定網(wǎng)格數(shù)為120萬。

圖2 低旋流噴嘴和燃燒室整體計算網(wǎng)格

2 結(jié)果分析

2.1 LSC流場結(jié)構(gòu)

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。可以看到:通過中心通道的氣流無旋流產(chǎn)生,在噴嘴出口形成平整的低速區(qū);通過旋流通道的氣流產(chǎn)生高速旋流運動,并在噴嘴出口開始擴張,形成高速剪切區(qū)。

(a)冷態(tài),流動3 (b)熱態(tài),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(chǎn)生,冷態(tài)和熱態(tài)中對應(yīng)的位置分別為x=110 mm和x=150 mm。在剪切區(qū)的外側(cè),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(qū)。與冷態(tài)相比,熱態(tài)氣流擴張角更大,中心回流區(qū)靠后,角回流區(qū)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(xiàn)了LSC流場的自相似特性。在±34 mm處,曲線出現(xiàn)波峰,軸向速度達到最大,與旋流通道出口的高速剪切區(qū)對應(yīng)。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(xiàn)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(biāo)原點,其定義如圖6所示。

根據(jù)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(yù)混燃燒模型得到的數(shù)值模擬結(jié)果與實驗值吻合較好,能夠很好地反映LSC的流場結(jié)構(gòu),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(wěn)定燃燒的內(nèi)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(shù)。由文獻[12]可知,火焰鋒面穩(wěn)定在火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊扔跉饬魉俣鹊奈恢?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?zhèn)鞑ニ俣认嗟?達到火焰穩(wěn)定。在分析火焰穩(wěn)定性時,ax和x0是2個非常重要的參數(shù)。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(dāng)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊扔跉饬魉俣葧r,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(yīng)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(tài)相關(guān),與氣流入口條件無關(guān)。相同條件下ax約等于ar的2倍,與文獻[4]中的研究結(jié)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(shù)

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(dāng)xf-x0=0時,燃燒室發(fā)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(guān)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(guān)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(shù)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(jié)果與表2中的結(jié)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(wěn)定,這也是LSC流場能夠穩(wěn)定燃燒的根本原因。

3 結(jié) 論

本文采用數(shù)值模擬方法研究了不同U0、T0及P0對低旋流燃燒火焰穩(wěn)定性的影響,分析了低旋流燃燒的流場結(jié)構(gòu)及火焰特性,得出的主要結(jié)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(wěn)定,有利于燃燒器的穩(wěn)定工作。

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(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