王嘉奇，馮兆興，王國峰，劉 洋，史俊瑞

（1.沈陽工程學院a.研究生部；b能源與動力學院，遼寧 沈陽 110136；2.山東理工大學交通與車輛工程學院，山東 淄博 255000）

1 物理模型

燃燒室為沿周向分布20個火焰筒的逆流式環(huán)管型燃燒室，單個火焰筒的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。擴壓器與壓氣機后氣缸相連，內(nèi)含出口靜葉、整流葉片及長短不一的支板。燃燒室外殼直徑最大值為3 100 mm，內(nèi)腔直徑為2 968 mm，全長為900 mm，質(zhì)量約為1 320 kg。

圖1 某型燃機單個火焰筒的整體結(jié)構(gòu)

2 數(shù)值模型

2.1 控制方程

求解重型燃機內(nèi)部的三維流動過程主要是求解Reynolds時均化Navier-Stokes方程及關(guān)聯(lián)量的輸運方程的湍流模型，即標準k-ε湍流模型。計算過程中必須遵循4個基本控制方程。

1）連續(xù)性方程

2）動量方程

3）能量方程

式中，keff為有效熱傳導系數(shù)；Jj為第j種組分的擴散通量；E為總能，是勢能和內(nèi)能之和；Sh為化學反應熱和其他用戶定義的體積熱源項。

4）組分方程

式中，Yi代表第i組分的質(zhì)量分數(shù)；Ri代表化學反應中組分i的凈生成速率；Si代表組分i由離散項和其他用戶定義的源項引起額外的生成速率。

2.2 模型建立和網(wǎng)格劃分

針對該燃燒室，運用Pro-E軟件創(chuàng)建三維仿真分析模型。對于火焰筒上的細小氣膜孔，采用氣膜帶簡化處理，這樣既能減少網(wǎng)格的數(shù)量，又能保證空氣的冷卻效果。對火焰筒頭部的主旋流器和8個微型旋流器采用增加空氣入口旋流的方法進行簡化，利用空氣入口切向、軸向、徑向3個方向的速度分量來實現(xiàn)旋流，保證氣體經(jīng)過旋流器后，過量空氣系數(shù)達到設(shè)計要求。

對火焰筒環(huán)形區(qū)的微型旋流器以及中央的主旋流器等部位進行加密處理，在溫度和速度驟變的地方，采用了細密的網(wǎng)格；對于流體流動影響不大的地方，采用較疏的網(wǎng)格，減少網(wǎng)格數(shù)量，從而減少計算量。燃燒室頭部網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 燃燒室頭部網(wǎng)格

該模型選擇的網(wǎng)格質(zhì)量指標是EquiSize Skew，是通過單元大小計算歪斜度以檢查網(wǎng)格的質(zhì)量，EquiSize Skew在0～0.4之間（lower-upper）的網(wǎng)格數(shù)占比為96.70%，說明網(wǎng)格劃分質(zhì)量良好。

2.3 邊界條件

1）空氣進口

該燃燒室設(shè)置了帶有旋流且供燃料燃燒的空氣入口、15排氣膜帶入口和4個冷卻孔入口。所有的空氣入口都設(shè)置為質(zhì)量流量進口，給定每個進口的質(zhì)量流量數(shù)值、方向、湍流度和水力直徑。給定空氣的溫度為666 K，空氣的總進氣量為6.59 kg/s。

2）燃料進口

燃料進口包括8個微型旋流器、16個值班燃料小孔入口以及8個燃料噴桿入口。所有燃料入口邊界也設(shè)置為質(zhì)量流量進口，給定質(zhì)量流量的數(shù)值、湍流度及水力直徑。設(shè)定燃料入口溫度為288 K，燃氣的總進氣量為102 g/s。

3）出口

出口邊界設(shè)置為壓力出口，給定湍流度、回流度和水力直徑。

4）壁面

熱邊界類型設(shè)置為Radiation類型，假設(shè)壁面處無速度滑移，熱生成率設(shè)為0.3 W/m3，壁厚為0 mm，內(nèi)部發(fā)射率為0.6，外部發(fā)射率為0.8。

3 計算結(jié)果與分析

3.1 速度場分布特性

圖3為數(shù)值分析得到的速度分布云圖及矢量圖。燃燒室在噴嘴的出口處形成了回流區(qū)，這是由于高速旋轉(zhuǎn)的氣流對噴嘴出口中心部位的氣流產(chǎn)生卷吸效應，從而在背后形成一個低壓區(qū)域，這對于旋流燃燒室的穩(wěn)定燃燒至關(guān)重要。同時，回流也延長了燃料在火焰筒內(nèi)的停留時間，可以提高燃料的燃燒效率?；亓鲄^(qū)下游截面的平均速度在60 m/s左右，并且軸向速度由前往后逐漸增加，這是由于隨著燃料與空氣燃燒反應的進行，燃氣平均溫度逐漸升高，使得火焰筒內(nèi)氣體的體積流量增加，而且火焰筒出口通流面積漸縮，導致軸向速度增加，出口平均速度達到100 m/s左右。

圖3 燃燒室內(nèi)軸向中心截面流場分布特性

3.2 組分濃度場分布特性

圖4 燃燒室內(nèi)中心截面的組分分布特性

圖4為數(shù)值分析得到的各組分的濃度分布圖。從圖4中可以看出，CH4燃料噴入火焰筒后，進行快速燃燒，濃度急劇下降。O2的濃度場則與燃燒速度分布有關(guān)，在燃燒的中心區(qū)域，由于燃燒作用，O2消耗多，濃度低；外圍區(qū)域，燃燒反應不劇烈，O2的濃度高?；鹧嫱差^部的主燃區(qū)O2濃度最低，環(huán)形燃燒區(qū)后半部也出現(xiàn)O2濃度低的區(qū)域，此區(qū)域達到燃料燃燒的溫度，O2因燃燒而消耗掉。

兩種燃燒產(chǎn)物CO2和H2O濃度場分布規(guī)律基本相同，在主燃區(qū)濃度大，最大的質(zhì)量分數(shù)相差不多。CO2和H2O分布大致以中軸線對稱，從第一級束腰環(huán)開始，CO2和H2O濃度開始逐漸降低，由摻混孔進入的大量空氣使得CO2和H2O濃度迅速下降。出口截面，CO2的質(zhì)量分數(shù)降到0.04左右，H2O的質(zhì)量分數(shù)降到0.034，這是因為此區(qū)域是燃燒劇烈區(qū)域。反應物和生成物的分布均能較好地反映出該型燃氣輪機燃燒室的實際燃燒情況。

3.3 溫度場分布特性

圖5為利用不同燃燒反應機理模型得到的溫度分布。CH4與空氣在環(huán)形燃燒室的前半部進行預混，在后半部進行燃燒。因此，環(huán)形燃燒室的前半部溫度低，而后半部的溫度高。燃燒主要穩(wěn)定在主燃區(qū)的頭部，熱點溫度達到2 500 K左右。出口截面的溫度分布梯度較小，說明溫度分布較均勻。出口截面的平均溫度為1 295.6 K，熱點溫度達到1 625.8 K。單步化學反應機理、簡化機理、詳細化學反應機理和利用GR13.0計算的溫度場的溫度分布基本一致，火焰形狀基本相同，燃燒室內(nèi)的溫度分布大致以軸線為對稱軸分布。該數(shù)據(jù)滿足出口溫度渦輪導向葉片的溫度要求，模擬得到的燃燒室出口的高溫區(qū)的分布位置與給定實驗得到的高溫區(qū)分布位置相同，溫度略高于實驗的數(shù)據(jù)。

圖5 燃燒室軸向截面的溫度分布

4 結(jié) 論

1）采用單步化學反應機理模擬得到的燃燒室結(jié)果表明，旋流和回流位置分布合理，燃氣與空氣的混合情況良好，各組分分布均能較好地反映出燃燒室的實際燃燒情況。

2）與不同燃燒反應機理的模擬結(jié)果對比后，驗證了單步化學反應機理模擬的溫度場分布特性合理，出口溫度場與給定實驗出口溫度場吻合。

3）該數(shù)值模擬分析方法計算速度快，對模擬網(wǎng)格要求低，是一種能夠適合燃燒室進行快速分析的有效方法。