航空煤油HiTAC燃烧特性的数值分析.pdf

第2 9 卷第1 期 2012 年2 月 沈阳航空航天大学学报 J o u r n a lo fS h e n y a n gA e r o s p a c eU n i v e r s i t y V 0 1 2 9N o 1 F e b 2012 文章编号：2 0 9 5 1 2 4 8 ( 2 0 1 2 ) 0 1 0 0 2 1 0 5 航空煤油H i T A C 燃烧特性的数值分析 刘喜岳，齐东东，吴环云，王力军 ( 沈阳航空航天大学航空航天工程学部，沈阳1 1 0 1 3 6 ) 摘要：采用合理的气一雾两相流流动、混合、燃烧、传热和N O x 生成数学模型，对模型燃烧室内航 空煤油的高温空气燃烧( H i T A C ) 特性进行了C F D 数值模拟。数值模拟结果表明：通过合理组织 燃烧，能使航空煤油实现H i T A C 燃烧特性。燃烧室内温度梯度明显降低；燃烧温度场趋于均匀； 有效降低污染物N O x 的排放。计算结果与相同条件下的重油H i T A C 燃烧试验结果有相同规律。 关键词：航空煤油；高温空气燃烧；模型燃烧室；数值模拟；燃烧特性 中图分类号：T P 3 9 1 7 ；V 2 6 1 2文献标志码：A d o i ：1 0 3 9 6 9 j i s s n 2 0 9 5 1 2 4 8 2 0 1 2 0 1 0 0 5 N u m e r i c a la n a l y s i so nc h a r a c t e r i s t i c so fa e r o - k e r o s e n e h i g ht e m p e r a t u r ea i rc o m b u s t i o n L I UX i y u e ，Q ID o n g d o n g ，W UH u a n y u n ，W A N GL i - j u n ( F a c u l t yo fA e r o s p a c eE n g i n e e r i n g ，S h e n y a n gA e r o s p a c eU n i v e r s i t y ，S h e n y a n g11 0 1 3 6 ) A b s t r a c t ：I nt h i sp a p e r t h ec h a r a c t e r i s t i c so fa e r o k e r o s e n eH i g hT e m p e r a t u r eA i rC o m b u s t i o nw e r eC D n u m e r i c a ls i m u l a t e di nm o d e lc o m b u s t i o nc h a m b e rb ya d o p t i n gt h es u i t a b l em a t h e m a t i cm o d e l si n c l u d i n g r e a s o n a b l eg a s m i s tt w o p h a s ef l o w ，m i x i n g ，c o m b u s t i o n ，h e a tt r a n s f e ra n dN O xg e n e r a t i o ne t c n en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ：b yr a t i o n a lo r g a n i z i n gc o m b u s t i o ni nc h a m b e r ，H i T A Cc o m b u s t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fa e r o k e r o s e n eC a nb ea c h i e v e d T e m p e r a t u r eg r a d i e n td e c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y T e m p e r a t u r e f i e l dt e n d e dt ob em o r eu n i f o r m ，a n dp o l l u t a n t N O xe m i s s i o nw a se f f e c t i v e l yr e d u c e d C o m p a r e dt ot h e c o m b u s t i o nt e s t i n go nh e a v yo i l ，t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t sh a dt h es a m er e g u l a r i t y K e yw o r d s ：a e r o k e r o s e n e ；h i g ht e m p e r a t u r ea i rc o m b u s t i o n ；m o d e lc h a m b e r ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；c o m b u s f i o nc h a r a c t e r i s t i c s 高温空气燃烧( H i g hT e m p e r a t u r eA i rC o m b u s t i o n ) 简称H i T A C ，又称为无焰燃烧，M I L D 燃 烧。是采用高温助燃空气( T a i r 10 0 0 ) 稳燃 和低氧浓度( 平均氧浓度3 一1 5 ) 均匀燃烧的 新燃烧技术。 日本的F D I 烧嘴，德国的F L O X 烧嘴，意大 利的D i l u t eF l a m e 燃烧技术等，都采用高温、高速 空气射流，使助燃空气与燃烧射流混合前，卷吸大 量高温烟气，降低空气射流中氧气浓度，使传统燃 烧过程中的火焰锋面燃烧变为空间体积燃烧。即 将燃烧过程扩展到更大的燃烧室空间，使局部燃 烧趋向均匀化，避免局部高温区的出现，降低氮氧 化物的生成。 R y u g oF u s e ，H i d e a k iK o b a y a s h i 等人研究 了甲烷高温空气燃烧的氮氧化物生成规律，试验 和数值模拟结果都揭示了助燃空气中的低氧气浓 收稿日期：2 0 1 1 0 3 - 2 0 7 基金项目：辽宁省教育厅项目( 项目编号：L 2 0 1 0 4 2 4 ) 作者简介：刘喜岳( 1 9 8 6 一) ，男，辽宁大连人，在读硕士，主要研究方向：航空发动机燃烧室设计及分析，E m a i l ：l i u x i y u e l 9 8 6 1 2 1 3 1 6 3 c o r n ；王力军( 1 9 6 3 一) ，男，辽宁开原人，博士后，副教授，主要研究方向：航空发动机燃烧室设计及分析，E m a i l ： w l j 0 8 0 3 1 6 3 t o m 。 万方数据 沈阳航空航天大学学报第2 9 卷 度和均匀的燃烧温度场能大量减少氮氧化物的生 成量。栗原孝好，仲町一郎等人”1 对F D I ( F u e l D i r e c tI n j e e t i o n ) 蓄热式燃烧器进行了研究，当空 气与燃气平行直接喷射，且空气速度大于6 0m s 时，可卷吸大量炉内烟气，使N O x 排放降低到 1 0 0m g m 3 以下。N o b u oS h i m o 等人”1 对煤油高 温空气燃烧过程低氮氧化物排放特性的研究指 出，降低助燃空气中的含氧量是降低氮氧化物排 放的重要因素。J i a n w e iY u a n 和I c h i r oN a r u s e 【4 J 应用F l u e n t 软件，C F D 数值模拟了蓄热式炉膛采 用不同稀释气体降低氧浓度对高温空气燃烧的影 响。指出惰性气体的稀释使得火焰温度降低，炉 内温度分布均匀，氮氧化物的生成减少。 W e b e r 等”1 运用实验方法分别对天然气、轻 油、重油和煤粉进行了H i T A C 燃烧状态的研究并 得出了以下结论：尽管助燃空气温度超过 12 7 0 ，重油在炉内的最高温度不超过 15 5 0o C 。燃烧区的温度梯度远比传统燃烧方式 低，并且得到一个比较均匀的火焰温度场，温度在 13 0 0 15 0 0 。N O x 排放含量在1 0 0 2 0 0m g m 3 。 朱尚龙”3 采用燃料空气平行直接喷射技术 ( F D I ) 使燃油直接喷人燃烧室回流区，控制高温 空气和燃料的混合速度，最大程度地利用回流区 的低氧气氛，实现均匀燃烧。 在相关试验研究基础上，本文的研究对航空 发动机燃烧室采用H i T A C 新燃烧技术具有一定 指导意义。 1 物理模型及计算条件 1 1 模型燃烧室结构 仿I F R F 试验用H i T A C 模型燃烧室”1 ，燃烧 室尺寸为：2 m 2 m 6 2 5 m 。左侧中央为空气 喷嘴，直径为1 2 4m i l l 。距空气喷嘴2 8 0m i l l 处各 设一航空煤油油喷嘴。右侧为燃烧室出口，直径 6 0 0i n r l l 。模型燃烧室内采用结构和非结构组合 网格剖分为3 4 万个网格，如图1 所示。 中【 喷嘴 圈l 模型殛网格 1 2 计算条件 I F R F 的试验采用高温空气喷人速度为1 0 0 m s ，温度为15 4 3K 。航空煤油平行于空气射流 喷射入燃烧室是可调节操作参数，得到燃油空气 速度比为u 0 = 1 2 0 u l o ，温度为2 9 8K ，见表1 所 一 刁o 寰1H I T A C 模型燃烧室的计算条件 2 数学模型 2 1 两相潦模型 气一雾两相流模型中，煤油雾滴采用轨迹模 型。即将喷雾分成有代表性的n 个组，每组有相 同的位置、速度、温度、直径。用拉格朗日方法跟 踪这些离散液滴在全流场中的运动和输运。气相 守恒方程用欧拉方法描述。液滴对气相的影响， 通过在气相守恒方程中加人相应的液滴源项处 理。控制液滴运动的拉格朗日方程为： d t 嘶一小哗产+ 只( 1 ) 其中，s o ( “一U 。) 是单位质量的液滴的阻 力，墨三塑型是液滴的重力；只为液滴所受的其 它力，如附加质量力、热泳力、布朗力、萨夫曼升力 等。在本文的喷雾模拟中，根据液滴直径很小及 所处的环境，只考虑液滴阻力，忽略其他作用力。 2 2 燃烧模型 非预混燃烧模型( 平衡化学反 i 直P D F 模型) 混合分数表示为燃料流的质量分数，表达式为： f - 丢袭 式中：互元素i 的质量分数。下标O X 表 示氧化剂流入口处的值，f u e t 表示燃料流人口处 的值。 时间平均混合分数方程为： 告( p ，) + V ( p 巧) = V ( 鲁订) + 晶+ ，( 3 ) 源项& 仅指由液体燃料滴传人气相中的质 量。s 一为任何用户定义源项。 平均混合分数均方值r 4 的守恒方程： 击( p 尹) 坶( p 矛) = V f 也O I V 尹) + 。 万方数据 第l 期刘喜岳，等：航空煤油H i T A C 燃烧特性的数值分析 ( V 于) 一C , p f f 2 + S 。， ( 4 ) 式中：，= f f 。常数以、C x 和a 分别取 0 8 5 ，2 8 6 和2 0 ，s 。，为用户定义源项。 2 3 辐射模型 其在离散坐标辐射模型中的数学表达式为： 华乩帆；+ a n 2 譬+ 飘“ ，( i ，j ) ( b ( i I J ) d O ( 5 ) 式中，a 为吸收系数，一，为散射系数，i 为位 置矢量，j 为方向矢量，一为散射方向矢量，以为 i 的分量，为折射系数，为总辐射强度，n 为 立体角，r 为热力学温度，为相函数，西表示内向 散射的空间分布特性。式中等号右端第一项为由