燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室預(yù)混燃燒自激不穩(wěn)定性的研究.pdf

1、隨著能源可持續(xù)性發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施和環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，發(fā)展高效清潔的燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)引起了全世界的廣泛重視，尤其是降低燃?xì)廨啓C(jī)燃燒有害物質(zhì)的排放已成為當(dāng)前研究的中心和發(fā)展的重點(diǎn)，其主要目的是要求顯著降低有害氮氧化物(NO<,x>)的排放。均質(zhì)化預(yù)混低溫燃燒技術(shù)可以降低燃燒的峰值溫度，從而使得NOx的排放從本質(zhì)上降低。但是預(yù)混燃燒技術(shù)的發(fā)展受到了燃燒不穩(wěn)定性的限制，其表現(xiàn)為燃燒室出現(xiàn)自激振蕩。燃燒室自激振蕩是一種低頻、高振幅的壓力振動(dòng)，它除了產(chǎn)

2、生噪音外還對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)備的安全運(yùn)行具有很強(qiáng)的危害。此外這種壓力振動(dòng)還常常干擾燃燒過(guò)程，使有害物質(zhì)的排放升高。因此，燃燒自激不穩(wěn)定性問(wèn)題是燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展中最關(guān)鍵和最急需解決的問(wèn)題。 本文首先對(duì)預(yù)混燃燒的自激不穩(wěn)定性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。建立了矩陣結(jié)構(gòu)預(yù)混燃燒器實(shí)驗(yàn)臺(tái)，利用多麥克風(fēng)測(cè)量方法對(duì)燃燒器自激振蕩的聲場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，利用陰影成像技術(shù)記錄了自激振蕩過(guò)程的火焰運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，對(duì)實(shí)驗(yàn)燃燒系統(tǒng)的穩(wěn)定特性和燃燒自激振蕩過(guò)程中火焰運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了研究

3、。研究結(jié)果表明，聲波在火焰簡(jiǎn)內(nèi)的反射和傳播是燃燒系統(tǒng)產(chǎn)生自激振蕩的條件，矩陣式平面通道預(yù)混燃燒器在較寬的工作范圍內(nèi)具有強(qiáng)烈的產(chǎn)生自激振蕩的趨勢(shì)而且具有明顯的非線(xiàn)性現(xiàn)象。所測(cè)得的燃燒室振動(dòng)噪聲的頻率和幅度隨過(guò)量空氣系數(shù)的變化分階段地變化。燃料的選擇對(duì)燃燒器的穩(wěn)定特性沒(méi)有很太的影響。對(duì)此燃燒器裝配不同長(zhǎng)度的火焰筒，燃燒系統(tǒng)的基本穩(wěn)定特性沒(méi)有發(fā)生本質(zhì)性的變化。對(duì)火焰的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)發(fā)生自激振蕩燃燒時(shí)，火焰有規(guī)律地脈動(dòng)并且開(kāi)始周期性地

4、變形分離?；鹧嬲袷幍闹芷谂c聲波壓力的振蕩周期很好地吻合。 針對(duì)預(yù)混燃燒室內(nèi)燃燒不穩(wěn)定性問(wèn)題建立了能夠反映燃燒不穩(wěn)定性過(guò)程的非穩(wěn)態(tài)可壓縮三維湍流反應(yīng)流的數(shù)學(xué)物理模型并提出了適用于燃燒不穩(wěn)定性問(wèn)題研究的有效算法。特別是，對(duì)于修正的RNG k-ε湍流模型，適宜于反應(yīng)流動(dòng)的模擬，有限速率/渦耗散(FR/EDM)燃燒模型適用于湍流預(yù)混燃燒的計(jì)算；對(duì)于燃燒室三維反應(yīng)流計(jì)算區(qū)域的離散化采用曲線(xiàn)坐標(biāo)系下的貼體網(wǎng)格；物理量的差分格式采用既能保證數(shù)

5、值解具有物理意義又能在一定的計(jì)算工作量下具有高準(zhǔn)確度的QUICK差分格式；采用適用于可壓縮流動(dòng)的SIMPLE算法；對(duì)燃燒室流場(chǎng)的非線(xiàn)性和強(qiáng)源項(xiàng)問(wèn)題，采用了欠松弛方法。應(yīng)用所建立的數(shù)值模型和計(jì)算方法對(duì)實(shí)驗(yàn)燃燒器典型工況的預(yù)混燃燒過(guò)程進(jìn)行三維數(shù)值模擬計(jì)算，將計(jì)算得到的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行細(xì)致而深入的對(duì)比。結(jié)果表明，數(shù)值計(jì)算精確地捕捉到了不穩(wěn)定燃燒過(guò)程中的自激振蕩和火焰的動(dòng)態(tài)行為，并且計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果很好地吻合。本文應(yīng)用CFD方法所建立的數(shù)值

6、計(jì)算模型和計(jì)算方法可以進(jìn)行燃燒不穩(wěn)定性的數(shù)值研究。 在對(duì)實(shí)驗(yàn)燃燒器的不同過(guò)量空氣系數(shù)工況進(jìn)行數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，結(jié)合非線(xiàn)性混沌理論詳細(xì)討論了不同工況下自激振蕩燃燒過(guò)程中火焰的動(dòng)態(tài)特性和燃燒室內(nèi)壓力、溫度、速度、熱釋放率等參數(shù)的變化規(guī)律與相互關(guān)系。結(jié)果表明，過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)燃燒不穩(wěn)定性的影響很大，而且燃燒不穩(wěn)定過(guò)程具有混沌特性。 對(duì)燃燒不穩(wěn)定過(guò)程的熱聲學(xué)特性進(jìn)行了理論和數(shù)值上的分析。研究發(fā)現(xiàn)不同過(guò)量空氣系數(shù)工況下的燃燒室內(nèi)整體

7、熱釋放的波動(dòng)與壓力振蕩的波動(dòng)相似，而且它們之間很好地符合瑞利準(zhǔn)則所表述的相位關(guān)系，周期性的加熱過(guò)程驅(qū)動(dòng)壓力的振蕩。但不同過(guò)量空氣系數(shù)條件下，整體熱釋放波動(dòng)和壓力振蕩之間的相位角的大小相差不是很大。這表明雖然可以通過(guò)整體熱釋放和壓力之間的相位關(guān)系判斷是否能夠產(chǎn)生自激燃燒振蕩，但是卻不能通過(guò)它們之間的相位關(guān)系判斷不同工況下自激振蕩幅值大小的變化趨勢(shì)。通過(guò)對(duì)不同工況條件下的燃燒過(guò)程進(jìn)行的數(shù)值計(jì)算發(fā)現(xiàn)，燃料化學(xué)反應(yīng)速率等值線(xiàn)分布的變化過(guò)程與整體

8、燃燒熱釋放的變化過(guò)程很好地吻合，這表明燃料的化學(xué)反應(yīng)速率可以很好地表征燃燒的熱釋放率。這就提供了一種在數(shù)值模擬中計(jì)算局部燃燒熱釋放率分布狀況的方法。 本文通過(guò)對(duì)渦聲理論和不同工況下燃燒反應(yīng)流數(shù)值計(jì)算結(jié)果的分析，對(duì)預(yù)混燃燒自激不穩(wěn)定性的驅(qū)動(dòng)機(jī)制進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn)，燃料和空氣預(yù)混后的氣流進(jìn)入突擴(kuò)的燃燒室容積時(shí)，在燃燒室內(nèi)將形成剪切層并在剪切層內(nèi)生成渦?；瘜W(xué)反應(yīng)將在剪切層的漩渦內(nèi)發(fā)生，導(dǎo)致渦內(nèi)的變化。而渦的變形又導(dǎo)致火焰前鋒的分離變

9、形，使得渦內(nèi)的熱釋放周期性變化，熱釋放的周期性變化又致使漩渦作周期性變形運(yùn)動(dòng)。渦的周期變形運(yùn)動(dòng)動(dòng)能在燃燒器里驅(qū)動(dòng)起聲學(xué)壓力的脈動(dòng)，為聲波脈動(dòng)提供能量。反過(guò)來(lái)，聲學(xué)壓力的脈動(dòng)又與剪切層內(nèi)的渦和燃燒化學(xué)反應(yīng)互相作用，使其更加不穩(wěn)定。當(dāng)聲學(xué)壓力脈動(dòng)和燃燒熱釋放的脈動(dòng)之間的相位滿(mǎn)足瑞利準(zhǔn)則時(shí)便更加強(qiáng)了燃燒的不穩(wěn)定，這樣就形成了一個(gè)控制機(jī)理的閉環(huán)反饋環(huán)。研究還表明，燃燒室自激振蕩幅度的大小與渦的變化幅度和渦內(nèi)化學(xué)反應(yīng)速率的大小有關(guān)，而化學(xué)反應(yīng)速率

10、的大小取決于預(yù)混氣的過(guò)量空氣系數(shù)的大小。同時(shí)自激振蕩的非線(xiàn)性跟壁面上的復(fù)雜的渦運(yùn)動(dòng)變化的出現(xiàn)有關(guān)。所以本文提出化學(xué)動(dòng)力和渦聲的耦合作用是激勵(lì)預(yù)混燃燒自激振蕩的重要機(jī)制。 在對(duì)預(yù)混燃燒不穩(wěn)定性激勵(lì)機(jī)理研究的基礎(chǔ)上討論了燃燒不穩(wěn)定的控制問(wèn)題。分析表明，目前燃燒不穩(wěn)定的被動(dòng)控制和主動(dòng)控制方法的實(shí)質(zhì)都是通過(guò)影響和改變流場(chǎng)中渦的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)而達(dá)到對(duì)燃燒不穩(wěn)定的控制。所以根據(jù)本文研究的結(jié)論，燃燒不穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)機(jī)理是化學(xué)動(dòng)力與渦聲耦合作用的，那么就