旋流方式對(duì)預(yù)混燃燒室流場(chǎng)影響的數(shù)值研究

孫 婷，王成軍，張紅霞

(沈陽航空航天大學(xué)航空航天工程學(xué)部(院)，沈陽110136)

燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室NOX的排放對(duì)全球環(huán)境具有重要影響，世界各國對(duì)燃燒室的NOX排放要求越來越嚴(yán)格。目前傳統(tǒng)的擴(kuò)散燃燒方式已不能滿足環(huán)境保護(hù)的需求，預(yù)混燃燒方式已開始逐漸代替擴(kuò)散燃燒［1］。預(yù)混燃燒技術(shù)是把燃料與空氣預(yù)先混合成為均勻的、可稀釋的可燃混合物，然后使之以湍流火焰?zhèn)鞑サ姆绞竭M(jìn)行燃燒，從而降低火焰溫度和NOX的排放。其中預(yù)混燃燒中的預(yù)混裝置對(duì)預(yù)混燃燒有很大的影響，為了加強(qiáng)燃料與空氣的混合效果，通常在預(yù)混裝置設(shè)有軸向旋流器或徑向旋流器，將足夠的漩渦給予流體，對(duì)它們進(jìn)行預(yù)先混合。目前有很多學(xué)者對(duì)旋流器的混合作用做了大量的研究。

清華大學(xué)的吳學(xué)曾、謝玲從旋流強(qiáng)度的定義和計(jì)算方法角度，計(jì)算出幾種旋流器的旋流強(qiáng)度與葉片安裝角的關(guān)系。計(jì)算結(jié)果表明，對(duì)于直葉片簡單旋流器的旋流強(qiáng)度差不多與葉片安裝角成正比［2］。

南京航空航天大學(xué)的鐘華貴和中國燃?xì)鉁u輪研究院的朱濤采用數(shù)值模擬和試驗(yàn)兩種方法獲得了兩種結(jié)構(gòu)的貧油預(yù)混預(yù)蒸發(fā)裝置出口的油氣混合均勻性，并采用單管燃燒室驗(yàn)證了LPP裝置的燃燒特性。徑向旋流預(yù)混裝置出口的油氣混合比軸向旋流預(yù)混裝置更均勻;旋流器的葉片數(shù)和旋流角、預(yù)混管長度等對(duì)油氣混合均勻性均有比較顯著的影響［3］。

但由于預(yù)混燃燒的特點(diǎn)，還沒有特定的旋流器的設(shè)計(jì)原則和標(biāo)準(zhǔn)。因此本文擬采用數(shù)值模擬方法對(duì)一種簡單結(jié)構(gòu)的預(yù)混燃燒室裝置分別研究軸向旋流器和徑向旋流器的不同旋流器葉片安裝角度對(duì)預(yù)混段內(nèi)以及燃燒室內(nèi)流場(chǎng)分布的影響。徑向旋流器的葉片安裝角度分別是30°、45°、60°和90°，軸向旋流器的葉片安裝角度分別是0°、20°、30°和40°。之后對(duì)比軸向旋流和徑向旋流兩種旋流方式預(yù)混段內(nèi)以及燃燒室內(nèi)的流場(chǎng)，這對(duì)預(yù)混燃燒室中預(yù)混器的設(shè)計(jì)有重要的參考借鑒意義。

1 物理模型

本文的研究對(duì)象是某一簡單結(jié)構(gòu)的預(yù)混燃燒室，該模型為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，模型劃分采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分和結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，由于葉片處結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，網(wǎng)格劃分采用三角形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。

圖1為模型截面示意圖，以軸向旋流方式為例，說明該模型預(yù)混段及燃燒室內(nèi)需要測(cè)量的流場(chǎng)截面的位置，徑向旋流方式的測(cè)量截面與之相對(duì)應(yīng)。如圖1所示，空氣通過旋流器進(jìn)入長度為95mm的圓柱形預(yù)混段流動(dòng)，然后進(jìn)入長方體的燃燒室內(nèi)。將徑向旋流器的葉片安裝角度分別設(shè)置為 30°、45°、60°和 90°，軸向旋流器的葉片安裝角度分別為 0°、20°、30°和 40°，對(duì)比兩種旋流方式在相對(duì)應(yīng)的四種葉片安裝角度下在預(yù)混段近入口處、預(yù)混段中間區(qū)及預(yù)混段出口處流場(chǎng)分布，即y=165mm，y=205mm，y=250mm，3個(gè)截面上的流場(chǎng)，以及四種葉片安裝角度在近燃燒室入口處、燃燒室中間區(qū)及燃燒室出口處的流場(chǎng)分布，即y=260mm，y=452mm，y=645mm三個(gè)截面上的流場(chǎng)。同時(shí)，對(duì)軸向旋流方式與徑向旋流方式在預(yù)混段的上述3個(gè)測(cè)量截面及燃燒室內(nèi)上述3個(gè)測(cè)量截面的流場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比。對(duì)預(yù)混段和燃燒室內(nèi)的中軸線上的流場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比，分別為圖中y軸上160mm～255mm和255mm～650mm，其中y軸即為中軸線。

圖2和圖3分別為軸向旋流器與徑向旋流器的結(jié)構(gòu)圖。

圖1 模型截面示意圖

圖3 徑向旋流器結(jié)構(gòu)圖

2 計(jì)算模型

數(shù)值計(jì)算采用商用CFD軟件FLUENT，湍流模型采用Realizable κ-ε模型，運(yùn)用三維數(shù)值方法對(duì)該燃燒室模型進(jìn)行了模擬計(jì)算，入口邊界為“mass-flow-inlet”邊界，輸入固定的進(jìn)口流量及其他參數(shù)，出口邊界為“pressure-outlet”邊界，壁面附近采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

圖4為徑向旋流預(yù)混燃燒室中預(yù)混管內(nèi)的數(shù)值模擬結(jié)果，圖4(a)、圖4(b)、圖4(c)分別為徑向旋流器的4種葉片安裝角度在預(yù)混段內(nèi)y=165mm，y=205mm，y=250mm3個(gè)截面上的流場(chǎng)對(duì)比圖，考慮到預(yù)混段的軸對(duì)稱性，圖4中只給出3個(gè)截面沿x軸正方向的流場(chǎng)對(duì)比圖。從圖4中可以看出，4種旋流器葉片安裝角度在各個(gè)截面下的速度分布表現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)。根據(jù)預(yù)混管的設(shè)計(jì)要求，當(dāng)火焰沿著邊界層流動(dòng)或者混合物流動(dòng)速度較慢點(diǎn)燃正在流進(jìn)的混合物時(shí)，回火就會(huì)發(fā)生，混合物必須移動(dòng)的足夠快保證不會(huì)發(fā)生回火。在圖4(a)、圖4(b)、圖4(c)3個(gè)圖中，旋流器安裝角度為60°時(shí)，流體在壁面邊界層的流動(dòng)速度大于其它3種安裝角度，有利于避免回火的發(fā)生。

圖4 預(yù)混段內(nèi)3個(gè)截面的流場(chǎng)對(duì)比圖

圖5為徑向旋流預(yù)混燃燒室中燃燒室內(nèi)的數(shù)值模擬結(jié)果，圖5(a)、圖5(b)、圖5(c)分別為徑向旋流器的四種葉片安裝角度在燃燒室內(nèi)，y=260mm，y=452mm，y=645mm3個(gè)截面上的流場(chǎng)對(duì)比圖。從圖5(a)、圖5(b)、圖5(c)3幅圖中可以看出，在截面上，4種葉片安裝角度產(chǎn)生的流場(chǎng)變化趨勢(shì)基本相同，速度大小相差不大。在y=452mm的測(cè)量位置，4種安裝角度的變化趨勢(shì)基本相同，速度大小開始有差別，安裝角度為90°時(shí)的速度較大。在y=645mm的測(cè)量位置，安裝角度為90°時(shí)，速度趨于平穩(wěn)，其它3種安裝角度變化趨勢(shì)相同，其中安裝角度為60°時(shí)的速度最大。由此可以看出，安裝角度為90°時(shí)的速度衰減較快，45°和60°相對(duì)衰減較慢。

圖5 燃燒室內(nèi)3個(gè)截面處的流場(chǎng)對(duì)比圖

圖6為軸向旋流預(yù)混燃燒室中預(yù)混管內(nèi)數(shù)值模擬結(jié)果，圖6(a)、圖6(b)、圖6(c)分別為4種軸向旋流器葉片安裝角度在預(yù)混段內(nèi)y=165mm，y=205mm，y=250mm3個(gè)截面產(chǎn)生的流場(chǎng)對(duì)比圖，考慮到預(yù)混段的軸對(duì)稱性，圖6中只給出3個(gè)截面沿x軸正方向的流場(chǎng)對(duì)比圖。由圖6(a)、圖6(b)、圖6(c)可以看出，在各個(gè)截面處4種旋流器葉片安裝角度下的變化趨勢(shì)基本相同，在圖6(a)中可以看出，在靠近中軸線附近，安裝角度為 30°的速度最大 υ30°＞υ40°＞υ20°＞υ0°，邊界層的流動(dòng)速度大小為 υ40°＞υ30°＞υ20°＞υ0°。由圖6(b)、圖6(c)可以看出，在靠近中軸線附近，旋流器葉片安裝角度為40°時(shí)的速度明顯小于其它3種葉片安裝角度，其它3種葉片安裝角度下的速度大小基本相同，壁面邊界層的流動(dòng)速度大小為 υ30°＞υ40°＞υ20°＞υ0°，與圖 6(a)的情況相同。由此可見，壁面邊界層的速度大小與旋流器葉片安裝角度成正比。

混合物沿邊界層的流動(dòng)速度要足夠快以避免回火的發(fā)生，同時(shí)若速度大又極易造成火焰吹熄。從對(duì)圖6的分析可以看出，軸向旋流器的安裝角度為40°時(shí)，混合物沿邊界層的流動(dòng)速度較大，有利于的避免回火的發(fā)生，同時(shí)在近軸向區(qū)域內(nèi)的速度較小，有利于避免火焰吹熄。

圖6 預(yù)混段內(nèi)3個(gè)截面處的速度對(duì)比圖

圖7為軸向旋流預(yù)混燃燒室中燃燒室內(nèi)數(shù)值模擬結(jié)果，圖7(a)、圖7(b)、圖7(c)分別為燃燒內(nèi) y=260mm，y=452mm，y=645mm3個(gè)截面上的流場(chǎng)對(duì)比圖。從圖7(a)圖可以看出，4種葉片安裝角度在y=260mm截面產(chǎn)生的流場(chǎng)變化規(guī)律基本相同，極小值和極大值均出現(xiàn)在軸線附近。葉片安裝角度為40°時(shí)，差不多在中軸線上出現(xiàn)極小值，此極小值小于其它3種旋流器葉片安裝角度的極小值。在中軸線附近區(qū)域出現(xiàn)極大值，葉片安裝角度為40°時(shí)的極大值大于其它3種旋流器葉片安裝角度，從火焰穩(wěn)定性的角度考慮，葉片安裝角度為40°時(shí)有利于火焰的穩(wěn)定。從圖7(b)圖可以看出，大概沿 x軸 －0.02～0.02區(qū)域內(nèi)，4 種安裝角度的速度大小為 υ0＞υ20°＞υ30°＞υ40°。從圖7(c)圖可以看出，大概沿 x軸 －0.04～0.04區(qū)域內(nèi)，4種安裝角度的速度大小為υ0＞υ20°＞υ30°＞υ40°。綜合圖 7(b)、圖 7(c)的分析可知，燃燒室內(nèi)的流場(chǎng)沿x軸在中軸線附近的流場(chǎng)隨旋流器葉片安裝角度的增大速度衰減較快。

圖7 燃燒室內(nèi)3個(gè)截面處的速度對(duì)比圖

圖8為軸向旋流方式與徑向旋流方式在預(yù)混管內(nèi)的流場(chǎng)對(duì)比，由圖8(a)、圖8(b)、圖8(c)中可以看出，徑向旋流方式的整體速度大于軸向旋流方式的速度，徑向旋流方式在壁面邊界層的流動(dòng)速度開始小于軸向旋流速度，相比之下軸向旋流方式更有利于避免回火的發(fā)生。

圖8 兩種旋流方式預(yù)混段內(nèi)3個(gè)截面處的流場(chǎng)對(duì)比圖

圖9為軸向旋流與徑向旋流在燃燒室內(nèi)的流場(chǎng)對(duì)比，由圖9(a)、圖9(b)、圖9(c)可以看出，軸向旋流方式與徑向旋流方式的流場(chǎng)分布基本相同。圖9(a)中在軸線附近，徑向旋流的極小值小于軸向旋流方式的極小值，徑向旋流方式的極大值大于軸向旋流的極大值，徑向旋流方式有利于火焰的穩(wěn)定。圖9(b)、圖9(c)兩圖中徑向旋流方式的整體速度小于軸向旋流方式。

圖9 兩種旋流方式燃燒室內(nèi)3個(gè)截面處的速度對(duì)比圖

圖10和圖11分別為軸向旋流方式與徑向旋流方式在預(yù)混段及燃燒室軸線上的速度對(duì)比圖，可以看出在預(yù)混管內(nèi)的軸線上徑向旋流方式的整體速度大于軸向旋流，但是在燃燒室內(nèi)的軸線上，軸向旋流方式的整體速度大于徑向旋流方式，采用軸向旋流器所產(chǎn)生的流場(chǎng)沿燃燒室軸向趨向于單調(diào)遞減，采用徑向旋流器所產(chǎn)生的流場(chǎng)沿燃燒室軸向波動(dòng)遞減，在燃燒室頭部0.3m處，徑向旋流產(chǎn)生的流場(chǎng)出現(xiàn)極小值，徑向旋流器在燃燒室中產(chǎn)生的火焰長度要不軸向旋流器產(chǎn)生的短，有利于縮小燃燒室長度尺寸。

圖10 兩種旋流方式在預(yù)混段軸線上流場(chǎng)對(duì)比圖

圖11 兩種旋流方式在燃燒室軸線上流場(chǎng)對(duì)比圖

4 結(jié)論

(1)對(duì)于徑向旋流方式，4種不同葉片安裝角度中，安裝角度為時(shí)，預(yù)混管內(nèi)流體在邊界層的流動(dòng)速度較快，有利于避免回火的發(fā)生;

(2)對(duì)于徑向旋流方式，安裝角度為90°時(shí)的速度衰減較快;

(3)對(duì)于軸向旋流方式，預(yù)混管內(nèi)邊界層的流動(dòng)速度與旋流器葉片的安裝角度成正比;

(4)對(duì)于軸向旋流方式，安裝角度為40°時(shí)，有利于避免預(yù)混管內(nèi)產(chǎn)生回火及火焰吹熄;

(5)對(duì)于軸向旋流方式，燃燒室內(nèi)流場(chǎng)沿x軸在中軸線附近的流場(chǎng)隨葉片安裝角度的增大，速度衰減較快;

(6)軸向旋流方式與徑向旋流方式相比，徑向旋流方式在預(yù)混段內(nèi)邊界層的流動(dòng)速度小于軸向旋流，軸向旋流方式有利于避免回火的發(fā)生;

(7)軸向旋流方式與徑向旋流方式相比，徑向旋流有利于縮小燃燒室長度尺寸。

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