當量比對錐形燃燒器火焰穩定位置影響

宋少雷，趙鐵錚，劉 瀟，楊家龍

(1. 海裝駐哈爾濱地區第三軍事代表室, 哈爾濱 150078；2. 哈爾濱工程大學 動力與能源工程學院, 哈爾濱 150001)

近年來，隨著世界范圍內環境問題的日益突出，污染物限排標準日趨嚴格，如何解決燃氣輪機高效率、穩定、低污染物排放量的燃燒問題已成為燃氣輪機生產廠商對于燃氣輪機燃燒室發展所需考慮的關鍵問題[1]。許多廠商采用貧預混燃燒技術來取代傳統的擴散燃燒技術[2-3]，貧預混燃燒過程中燃料與空氣在進入燃燒室前預先混合，燃料與空氣混合后會在貧燃狀態下進行燃燒，從而降低了火焰溫度，達到減少污染物排放的目的。目前貧預混燃燒方式已經得到了廣泛的應用[4-5]。然而，貧預混燃燒方式存在小尺寸內燃料與空氣無法快速均勻摻混與燃燒穩定性方面的問題。針對這些問題，Alstom公司開發了新一代干式低污染燃燒技術，成功研制了EV燃燒器[6-8]。EV燃燒器的燃料與空氣摻混效率高，具有防止自動點火及回火的結構特性，擁有良好的燃料適用性，在未來具有相當大的發展潛力。

貧預混燃燒過程中燃料與空氣預先混合成可燃混合物，較常規的擴散燃燒更易產生不穩定燃燒現象。在不穩定燃燒中，回火的發生會使燃燒器壁面與燃料孔附近的溫度升高，影響到燃燒器的壽命與可靠性，甚至有燒毀燃燒器的危險。旋流預混火焰中產生回火的原因較多[9-10]，其中不同工況下當量比的變化是引發回火發生的關鍵因素之一。Noble等人[11]通過實驗研究發現，在當量比達到回火極限附近時，略微增加當量比都會使火焰迅速向上游傳播并發生回火。田曉晶等人[12]利用時間尺度模型對旋流火焰進行研究，發現當達到臨界當量比時會發生回火，回火當量比受預混段長度與預混段出口的水利直徑影響。此外，當量比的變化會引起燃料摻混過程的變化，進而影響到燃料空間分布，并對火焰結構與燃燒模式產生影響。Sweeney等人[13]研究了燃料與空氣的空間分布對火焰結構參數的影響，研究發現不同的燃料空間分布會對火焰結構、燃燒中間產物等產生影響。Schmitt等人[14]將數值研究應用于實際的EV燃燒器中，發現不同當量比條件下火焰穩定位置和形狀會發生改變。Rosenberg等人[15]采用實驗方法進行研究，比較了燃燒場內同一區域內的示蹤組分濃度梯度間的關系，判斷局部火焰的擴散和預混燃燒模式，結果表明局部當量比的變化會引起火焰多重燃燒模式。

從現有學者的研究來看，針對錐形燃燒器中甲烷旋流火焰的回火過程的研究比較少。同時，大部分只是給出了當量比會引起火焰穩定位置變化的結論，缺少從摻混與燃燒模式變化角度對溫度分布變化進行詳細的分析。基于對摻混過程進行細致分析，解釋不同燃料空間分布及摻混過程對高溫區位置與污染物排放變化規律的研究較少。本文針對錐形燃燒器，采用數值模擬方法對不同當量比下的流動與摻混特性、燃燒模式與溫度分布進行細致分析，找到了發生回火的當量比并分析了產生回火的原因，最后對NOx與CO排放量隨當量比的變化趨勢進行了分析。

1 錐形燃燒器的結構與數值方法

1.1 燃燒器模型結構

本文中數值模擬所采用的錐形燃燒器結構如圖1所示[16]。計算區域包含了錐形燃燒器頭部與面積擴張比為6.25∶1的圓柱形燃燒室。燃燒器由兩個相互錯開的半錐形組成，它們在徑向移動錯開產生兩個等寬的狹縫作為空氣進口。沿狹縫的切線布置了36個直徑為1 mm燃料孔，燃料經管道上的小孔與空氣流動方向垂直進入并在旋流的作用下進行摻混。空氣由狹縫流入燃燒器產生強烈的切向速度分量，在燃燒器出口附近產生了高度的旋流進而發生渦破碎，產生中心回流區來穩定火焰，使得火焰前鋒可以穩定在燃燒器出口而不會附著在燃燒器的金屬表面上，本文所采用的錐形燃燒器的旋流數為1。錐形燃燒器的錐角為11°，出口處半錐的直徑D= 42 mm，該直徑是用于定義所有特征數的參考距離。在燃燒器頭部的中心布置了直徑為1.5 mm的值班級燃料噴嘴，起到了穩定燃燒的作用。

(a) 燃燒室整體結構

1.2 數值方法

本文使用ANSYS-Fluent 18.2對含有錐形燃燒器頭部的模型燃燒室內的流動與燃燒特性進行了三維 CFD 模擬，經過網格無關性驗證選擇采用ICEM生成273萬四面體與六面體的混合網格。其中，六面體結構化網格集中在燃燒室中。由于錐形燃燒器內的結構復雜，燃燒器內部采用四面體的非結構網格劃分，并對靠近燃燒器內部壁面與燃料孔附近進行了局部網格的加密。計算域的縱向截面的網格示意圖如圖2所示。燃燒室的內部流場采用壓力-速度耦合算法，湍流模型采用Realizable k-ε模型，近壁面采用標準壁面函數。壓力與速度耦合采用SIMPLE算法。燃料與空氣入口為質量流量入口，進口溫度均為300 K，出口邊界條件為壓力出口，即為大氣壓101 325 Pa，燃燒室的壁面簡化為固壁，采用二階精度迎風差分的格式。湍流燃燒模型采用火焰面生成模型。對于模擬中NOx的計算方法采用NOx后處理模型方法進行模擬，熱力型NOx的O和OH基團摩爾分數基于部分平衡假設，N2O模型基于準穩態平衡假設，采用基于β函數的PDF模型考慮湍流和化學反應的耦合作用。

圖2 沿縱向截面計算域網格劃分示意圖

2 結果與討論

2.1 模型驗證

為確保數值模擬結果的準確性，將模擬結果與實驗數據進行比較，對比結果驗證了數值模擬過程的準確性。如圖3所示，z為距離燃燒器出口位置的軸向距離，D為燃燒器出口半錐的直徑。選取燃燒器出口處為z/D=0截面，沿軸向方向設置z/D=0.25、z/D=0.5、z/D=0.75與z/D=1四個參考截面。

圖3 燃燒器剖面圖與特征截面定義

與實驗相對照的結果如圖4所示，圖中曲線為模擬結果、點為實驗數據[17-18]。圖4中r表示距離中軸線的徑向距離，U0為燃燒器出口位置平均軸向速度，u和v分別表示了軸向速度與徑向速度。由圖4可知在參考截面處，軸向與徑向速度變化趨勢的模擬結果與實驗測量結果吻合較好，正確預測了中心回流區的位置與強度，并正確捕獲旋流射流與中心回流區之間的剪切層，證明本文所用的湍流及燃燒模型具有一定的合理性，可以開展進一步研究。

2.2 流場分析

本文通過改變燃料孔中噴射的預混級燃料的質量流量以改變當量比。選取了5種不同當量比條件下的工況，具體各工況參數如表1所示。采用固定的值班級燃料質量流量，由于頭部值班級的燃料流量較小，可以認為對模擬結果影響很小。

表1 不同當量比工況下的流量參數

本文中用y表示距離中軸線的徑向距離，當徑向距離為y=0時的縱向中截面表示為截面A。圖5為不同當量比條件下截面A上的軸向速度分布，從左至右分別為工況1至工況5。由于錐形燃燒器的橫截面積是逐漸增大的，空氣進入燃燒器中的狹縫后，會產生速度與壓力梯度，進而發展成為中心回流區。同時由于回流區的發展受燃燒室壁面的限制，使得在外剪切層與燃燒室壁面間形成了外部回流區。各工況下中心回流區均穩定在燃燒器出口附近，軸向速度分布沒有顯著差異。隨著當量比的增加，主燃級的燃料質量流量增加，燃料孔的孔徑不變，致使燃料的射流速度增加，對燃燒室頭部位置的速度場有所影響。由圖5可知，中心燃料導管與燃料孔出口位置處速度增大，中心回流區的軸向長度有所減小。

圖5 不同當量比下截面A軸向速度分布圖

圖6表示了不同當量比情況下截面A的溫度分布。如圖6所示，在中心回流區與外部回流區之間形成剪切層，受剪切應力影響，該區域附近的可燃氣體混合物不能燃燒，因此溫度較低。中心回流區與外部回流區中氧氣供應充足，燃燒反應更完全，熱量完全釋放，溫度較高。隨著當量比的增加,流場內溫度逐漸升高，中心高溫區逐漸向燃燒器內部移動。特別是當量比由0.66變化到0.72時，火焰前端位置發生明顯改變，火焰鋒面的穩定位置逐漸向燃燒器內移動，直到當量比增加至0.72時，火焰開始進入錐形燃燒器內部，高溫火焰會使得燃燒器的壁面產生燒毀的危險。火焰穩定位置發生改變的主要原因為隨當量比升高湍流火焰傳播速度增大，而燃料與空氣混合物的供給不足，使得火焰鋒面位置向燃燒器上游移動。考慮到實際過程中，錐形燃燒器空氣進口的狹縫位置的氣流速度較高，并且狹縫處燃料與空氣的摻混過程剛剛開始，并未形成穩定燃燒的燃料空氣均勻混合物，因此狹縫位置處并未產生回火至上游位置，這也是錐形燃燒器可以保持較好的燃燒穩定性的優點之一。另一方面，在實際的燃燒過程中，可以通過改變值班級燃料的比例與射流的速度等方式，將高于0.72當量比下的火焰鋒面的位置向下游移動，以避免燃燒器存在燒毀的危險。

圖6 不同當量比下截面A溫度分布圖

為了對部分預混燃燒進行分析，選用Takeno火焰指數(Findex)對火焰的燃燒模式進行定義。 Yamashita[19]將其定義為燃料和氧化劑質量分數(YF,YO)梯度的標準化點積，如式(1)所示：

(1)

式中的分母為標量點積的絕對值。因此，火焰指數僅可以取+1或-1。當燃燒模式為預混燃燒時，燃料與氧化劑的梯度相同，火焰指數為+1。當燃燒模式為非預混燃燒時，燃料位于一側，而空氣位于火焰的另一側，火焰指數值為-1。 當火焰指數為0時，該區域內不存在火焰。

圖7顯示了發生在燃燒器內的火焰指數分布。在部分預混火焰中，非預混火焰位于燃燒器燃料射流孔下游附近，該區域內的當量比相對較高，用于穩定火焰。隨當量比增加，燃料在燃燒器中的射流深度增加，使得大部分燃料進入燃燒器中間部分，并在該區域中形成燃料與空氣混合物以產生預混火焰。從圖7中也可以明顯看出，當量比為0.54至0.66時，預混火焰均穩定在燃燒器出口附近區域，流場內的溫度分布也較為均勻。當量比從0.66變化至0.72時發生了回火現象，并且該部分火焰的燃燒方式為預混燃燒，高溫區面積有所增加。隨著當量比增加到0.78，高溫區進入燃燒器，并且最高溫度達到2 000 K，存在燒毀內壁和燃燒器結構的危險。在這種情況下，合適的當量比可以保證火焰的穩定性與燃燒器的安全性。因此當量比位于0.6至0.66時，高溫區溫度較低，溫度場更加均勻，并且不會產生回火，可以提高燃燒器的燃燒穩定性與使用壽命。

圖7 不同當量比下截面A的火焰指數

圖8為不同當量比工況下沿中軸線的軸向速度與溫度分布。對于速度分布而言，當量比在0.54、0.6與0.66時的速度分布情況大致相同，在z=-60 mm到z=100 mm之間，軸向速度均為負向，在該區域內較低的軸向速度保證了火焰的穩定性。對于當量比在0.72與0.78的情況，在z=-50 mm左右的軸向位置，產生了最大速度可以達到10 m/s左右的軸向速度，然后迅速減小至負值，之后速度的變化趨勢與前三種工況相同。對于溫度分布，隨著當量比增加，在燃燒器出口溫度略有升高，隨后在下游逐漸穩定。當量比為0.72與0.78時，由于產生回火燃燒反應開始發生于燃燒器內，溫度有一個急劇的上升，并在此處產生一個較大的軸向速度。另一方面，溫度上升的位置提前，即反應開始發生的位置向上游移動。進一步增大當量比可能會導致在空氣和燃料充分混合之前在燃燒器內部發生反應，在燃燒器壁面附近產生大量熱量，在燃燒器壁面附近產生的高溫區域可能會對燃燒器造成損傷。

(a) 沿中軸線位置處軸向速度分布

圖9為z=0.05 mm截面徑向位置y方向處的軸向速度和溫度分布。高溫區域出現在燃燒器外的中心回流區與外部回流區中，而在剪切層中的溫度相對較低。隨著當量比的增大，溫度的峰值不斷升高。當量比在0.6至0.78時，中心高溫區溫度低于外部高溫區，這是由于隨著燃料質量流量的增大，需要更長的距離才能使燃料與空氣充分混合。在z=0.05 mm截面上，中心回流區內的反應不完全，但外部回流區內的反應相對完整。而在當量比為0.54的條件下，由于注入的燃料量很小，中心回流區內進行了充分的摻混，所以中心區域的反應較為完全，使得中心區域位置的溫度高于外部區域的溫度。

(a) z=0.05 mm處沿徑向軸向速度分布

2.3 排放分析

出口處的NOx與 CO排放量如圖10所示。結果表明，隨著當量比的升高，NOx的排放量逐漸增加，這主要是受高溫區火焰溫度與停留時間的影響。NOx排放量的具體變化趨勢如下：當量比從0.54增加到0.66時，NOx排放量略有增加但均小于5×10-6。隨著當量比繼續增加到0.72，NOx排放量從1.3×10-6增加到11.6×10-6。當量比為0.78時，NOx排放量迅速增加到42.1×10-6。CO排放量隨著當量比增加先下降后上升。低當量比時，出口存在大量的CO是由于燃料與空氣混合不充分導致燃燒不完全。當量比為0.54時，出口平均溫度僅為1 533 K，此時CO排放量非常高，達到1 971×10-6。當量比從0.54增加到0.6時，平均出口溫度增加114 K，達到1 647 K，此時CO排放量急劇下降至179×10-6。隨著當量比繼續增加到0.66時，CO的排放量繼續減少，達到最小值68×10-6。當量比為0.72和0.78時，CO排放量有輕微增加的趨勢，分別為389×10-6和624×10-6。這是由于回火導致的燃燒器頭部在高的當量比下進行反應，氧不足造成大量的CO在頭部反應區生成。CO排放量的變化也說明了當量比對火焰位置的影響會使得CO呈現出明顯的變化。可以通過對燃燒器的空氣旋流結構、燃料孔的布置、摻混的結構的優化等方向對錐形燃燒器進行進一步的優化，以使其可以在較大的運行范圍內都達到較好的燃燒性能與較低的排放值。

圖10 不同當量比下NOx、 CO排放量變化

通過分析燃燒室出口位置處不同當量比下的NOx與CO排放值的變化趨勢可以發現：當量比小于0.66時，NOx排放值隨當量比的增加而略有增加；當量比大于0.66時，NOx排放值迅速增加；當量比從0.66增加到0.72，NOx排放增加8.9倍；當量比從0.66增加到0.78，NOx排放增加32.4倍；當量比為0.54時，雖然NOx排放量最小，但CO排放量最大；而當量比從0.66變化到0.72和0.78時，NOx和CO排放量均迅速增加。此外，考慮到此時開始回火，火焰前端不再穩定出現在燃燒器出口，開始向上游移動，高溫區靠近噴嘴與燃燒器壁面，這將對燃燒器的壽命產生不利影響。發生回火的原因是隨著當量比的增加，燃料的質量流量增大，在不改變噴嘴結構直徑的情況下，燃料的射流深度增大。較高當量比的可燃混氣集中在燃燒器內部，并進行燃燒，火焰傳播速度增加高于可燃混氣的供給速度，使得火焰開始向上游傳播。因此，在選擇合適的當量比時，需要從燃燒穩定性和排放量兩方面考慮。選取當量比為0.6和0.66的工況，此時的NOx和CO排放量較低，并且不會發生回火。

3 結論

本文對錐形預混燃燒器的流動與燃燒特性進行了數值研究。針對不同當量比下模型燃燒室內的速度及溫度分布、火焰穩定位置、燃燒模式、NOx和CO排放量的變化趨勢進行了分析，得出以下結論：

(1) 不同當量比下的火焰位置有明顯差異。當量比低于0.66時，火焰穩定于燃燒器出口位置處。當量比大于0.66時，火焰在軸向的穩定位置發生較大變化。當量比為0.72和0.78時，由于火焰傳播速度增加，燃料與空氣混合物的供給速度不足，產生回火。高溫區進入燃燒器內部，有燒毀燃燒器內壁與噴嘴的危險。

(2) 當量比升高會導致火焰溫度的升高，致使出口位置處NOx排放量隨著當量比的增加而增加。當量比小于0.66時，NOx排放量隨當量比的增加而略有增加。當量比大于0.66以后，NOx排放量迅速增加。當量比從0.66增加到0.72，NOx排放增加8.9倍；當量比從0.66增加到0.78，NOx排放增加32.4倍。

(3) CO排放量隨當量比的增加先減小后增大。當量比為0.54時，由于不完全燃燒CO排放量最大。隨著當量比增加到0.66，CO排放持續減少，并達到最小值。當量比大于0.66后，CO排放量有輕微增加的趨勢。