【摘 要】
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污染物排放性能是燃气轮机燃烧室的关键性能指标之一。发展适用于NOx生成特性预测的数值方法是燃气轮机燃烧室设计的重要一环。本文针对某单头部中心分级模型燃烧室,从化学反应动力学模型和数值模拟计算方法两方面进行了计算和验证,发展了适用于该燃烧室的耦合化学反应机理的数值模拟计算方法;基于验证的数值模拟计算方法,对该燃烧室开展了三维数值模拟工作,建立了该燃烧室NOx生成的评估方法,明确了该燃烧室内各路径NO
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污染物排放性能是燃气轮机燃烧室的关键性能指标之一。发展适用于NOx生成特性预测的数值方法是燃气轮机燃烧室设计的重要一环。本文针对某单头部中心分级模型燃烧室,从化学反应动力学模型和数值模拟计算方法两方面进行了计算和验证,发展了适用于该燃烧室的耦合化学反应机理的数值模拟计算方法;基于验证的数值模拟计算方法,对该燃烧室开展了三维数值模拟工作,建立了该燃烧室NOx生成的评估方法,明确了该燃烧室内各路径NOx生成的空间分布,讨论了负载、过量空气系数、燃料配给方法等对该燃烧室NOx生成的影响规律,为该燃烧室内NOx的抑制提供指导。本文的具体工作如下:1.针对中心分级模型燃烧室低当量比的工作特性,对各经典甲烷燃烧反应机理开展了低当量比下的计算验证。经过对各计算结果比较,选择与详细机理和实验结果一致性良好、可以较为准确预测NOx生成的孙继昊甲烷燃烧简化反应机理作为本文燃烧数值模拟计算方法所耦合的机理,开展后续研究工作。对孙继昊机理开展了温度和NOx敏感性分析,得到了孙继昊机理中NOx的生成路径和重要基元反应。2.针对Sandia Flame D开展了数值模拟验证,对各湍流模型、燃烧模型和孙继昊机理在预测湍流燃烧的速度场、温度场、重要组分场和NOx生成方面进行了研究。数值计算结果表明,基于Realizable k-ε湍流模型、EDC模型耦合孙继昊机理的数值计算方法可对燃烧场进行准确预测,并可应用于后续中心分级模型燃烧室数值计算。3.利用上述经过验证的数值计算方法对中心分级模型燃烧室开展了三维燃烧数值模拟工作,重点分析了100%负载下的燃烧场特性。建立了对NOx生成进行评价的平面积分法,基于NOx后处理模型分析了燃烧室内各路径的NOx生成,基于EDC模型分析了火焰锋面附近的NOx生成路径。对中心分级模型燃烧室进行了简单区域划分,分析了各路径下NOx的区域生成特性。4.进一步研究了负载、过量空气系数和燃料配给方式等参数对中心分级模型燃烧室燃烧性能指标和NOx生成特性的影响规律,提出了综合考虑中心分级模型燃烧室工作性能和NOx生成特性的优化燃料配给方式。上述研究成果为单头部中心分级模型燃烧室后续工作的展开提供了重要技术支持,为燃烧室内NOx生成的预测提供了重要研究方法。
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