燃烧室内气体燃料燃烧流场的数值预测技术研究

摘要

燃气轮机是常用的舰船动力装备。燃烧室的性能直接决定整台机组的性能参数，故燃烧室的合理设计尤为重要。传统的燃烧室设计主要是靠经验和半经验公式，研制周期长。故本文讨论了一种新型的燃烧室快速设计方法。
　　 本文以甲烷为燃料，利用Chemkin软件运用微元法获得燃烧室一维特征长度，利用Fluent软件进行燃烧室简化燃烧室性拓展设计，并在此基础上进行三维全尺寸校核。对最终设计的最佳燃烧室利用Chemkin软件分析其出口NOx排放情况。在利用Fluent进行燃烧室三维数值计算时，采用Realizable k-ε双方程湍流模型，快速反应简化PDF燃烧模型，对控制方程采用迎风的差分格式进行离散，壁面处理采用标准壁面函数法，采用SIMPLE算法求解离散方程。
　　 在Chemkin计算的过程中，先构建燃烧室的初步化学反应器网络并以此确定最佳空气配比，再引入一种燃烧室一维长度校核方法-微元法，得到火焰筒的有效反应长度。
　　 根据Chemkin得到的一维特征长度参数，并对全尺寸的回流式环管型燃烧室简化成回转体形式，取火焰筒一部分进行模拟，最终得到燃烧室全尺寸设计所需要的数据，根据确定的燃烧室特征尺寸建立燃烧室模型。利用Fluent软件，基于火焰筒壁面绝热的计算工况，对燃烧室的性能进行分析。运用Chemkin针对最终设计的燃烧室的流场构建详细的化学反应器网络，确定其最终的出口污染物排放值。另外，文中还针对各种湍流模型进行了分析对比，发现不同的湍流模型各自模拟的优缺点。
　　 计算结果表明：使用Chemkin软件进行一维计算，CFD软件三维校核燃烧室在燃烧甲烷时，燃烧室流场组织以及各参数分布较为合理。在四种湍流模型的数值模拟及对比分析中发现，可实现模型在出口温度不均匀度、流域最高温度和燃烧室头部及壁温冷却情况都是最好的。总体来看本设计基本符合设计要求，故认为这种新型的设计方案有一定的可行性。