濕空氣鈍體擴(kuò)散燃燒火焰結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性研究.pdf

1、濕空氣燃燒是濕空氣透平(HAT)循環(huán)和注蒸汽燃?xì)廨啓C(jī)(STIG)循環(huán)的一個(gè)主要特征。濕空氣動(dòng)力循環(huán)涉及的工質(zhì)含濕量比自然界常規(guī)濕空氣大得多，高濕度燃燒可能會(huì)發(fā)生燃燒不穩(wěn)定，同時(shí)燃燒火焰的流場(chǎng)以及結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生改變，因此為使HAT循環(huán)、IGCC能夠得以推廣應(yīng)用，濕空氣燃燒是必須攻克的關(guān)鍵技術(shù)之一。 本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方法對(duì)濕空氣擴(kuò)散燃燒火焰結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。通過(guò)建立濕空氣燃燒機(jī)理性實(shí)驗(yàn)臺(tái)，采用粒子圖像測(cè)速儀(Particle

2、ImageVelocimetry，PIV)非接觸式激光測(cè)試手段對(duì)兩種結(jié)構(gòu)(90度和60度的)鈍體后甲烷/空氣以及濕空氣的回流擴(kuò)散燃燒的熱態(tài)速度場(chǎng)分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。在國(guó)內(nèi)首先嘗試了基于激光診斷技術(shù)的火焰湍流狀態(tài)的定量研究，實(shí)現(xiàn)了鈍體火焰內(nèi)部的瞬時(shí)速度場(chǎng)，統(tǒng)計(jì)平均速度場(chǎng)，均方根速度場(chǎng)和雷諾切應(yīng)力的定量分析。詳細(xì)研究了濕度對(duì)鈍體擴(kuò)散燃燒火焰穩(wěn)定性的影響，揭示了濕空氣燃燒下的穩(wěn)定機(jī)理，建立了具有普遍應(yīng)用價(jià)值的火焰穩(wěn)定性分析方法。同時(shí)本文進(jìn)行了

3、鈍體擴(kuò)散燃燒進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，改進(jìn)了適用于鈍體擴(kuò)散燃燒的湍流模型表達(dá)。在此基礎(chǔ)上采用三種擴(kuò)散燃燒模型對(duì)火焰的組分、速度和溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了不同濕度情況下火焰的溫度和濃度分布特性。 為研究濕空氣對(duì)燃燒火焰的影響，首先考察了鈍體后不加濕甲烷/空氣擴(kuò)散燃燒回流速度場(chǎng)特征。 實(shí)驗(yàn)研究表明： (1)燃空速度比(Vf/Va)是影響火焰燃燒狀態(tài)的一個(gè)重要參數(shù)，隨燃空速度比的改變，將依次出現(xiàn)回流燃燒火焰、

4、過(guò)渡火焰、中心射流主導(dǎo)火焰和局部熄火火焰等四種不同的火焰結(jié)構(gòu)； (2)回流燃燒火焰的中心軸線上存在兩個(gè)滯止點(diǎn)，滯止點(diǎn)之間呈反向逆流，一旦滯止點(diǎn)消失火焰的中心射流穿透了回流區(qū)，表明火焰轉(zhuǎn)變?yōu)橹行纳淞髦鲗?dǎo)火焰； (3)回流燃燒瞬時(shí)速度場(chǎng)統(tǒng)計(jì)分析表明，回流前滯止點(diǎn)、最小速度點(diǎn)以及最小速度值基本遵循正態(tài)分布規(guī)律。隨著燃料注入速度增大，前滯止點(diǎn)和最小速度點(diǎn)均向下游移動(dòng)，最小速度值減小； (4)鈍體結(jié)構(gòu)也是影響火焰燃燒狀態(tài)和

5、流場(chǎng)的重要參數(shù)。90度和60度鈍體流場(chǎng)特性的對(duì)比表明，60度鈍體的回流渦較窄，中心燃料更容易穿透回流區(qū)。 本文在加濕燃燒激光可視化流場(chǎng)測(cè)量中，獲得了濕空氣燃燒的流場(chǎng)特性和濕空氣燃燒的穩(wěn)定性區(qū)域分布圖。實(shí)驗(yàn)表明， (1)濕空氣燃燒與不加濕燃燒一樣也存在著三種穩(wěn)定的火焰結(jié)構(gòu)(回流燃燒火焰、過(guò)渡燃燒火焰和中心射流主導(dǎo)火焰)和一種不穩(wěn)定的火焰結(jié)構(gòu)(局部熄火火焰)。但在相同的燃空速度比情況下，濕空氣燃燒的中心軸線的軸向速度比不加濕

6、燃燒的大，回流區(qū)縮短，回流強(qiáng)度減弱。 (2)濕空氣燃燒的穩(wěn)定性變差，不同穩(wěn)定性分布區(qū)域轉(zhuǎn)變的臨界燃空速度比小于同樣情況下不加濕燃燒的燃空速度比。火焰更容易由回流燃燒狀態(tài)過(guò)渡到中心射流主導(dǎo)火焰的燃燒狀態(tài)，也更容易產(chǎn)生局部熄火。 (3)濕空氣火焰的環(huán)流空氣速度及其速度梯度比不加濕燃燒的偏小，由此導(dǎo)致鈍體后回流區(qū)長(zhǎng)度縮短是濕空氣的穿透極限降低的一個(gè)原因。 (4)濕空氣的摩爾質(zhì)量較小使得濕空氣的動(dòng)量減小也促使回流減弱的原

7、因之一。此外，水蒸氣的稀釋作用和化學(xué)反應(yīng)均使?jié)窨諝庵醒踉訙p少，從而中心燃料需要更多的氧化劑參與反應(yīng)，對(duì)應(yīng)的濕空氣的臨界速度要提高并更容易產(chǎn)生熄火。 本文對(duì)鈍體擴(kuò)散燃燒進(jìn)行數(shù)值模擬中，通過(guò)計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比將標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型Cε2由標(biāo)準(zhǔn)值1.92調(diào)整到1.83使之更加符合鈍體燃燒流場(chǎng)的描述。湍流模型改進(jìn)后中心軸線速度衰減有所緩解，同時(shí)回流區(qū)長(zhǎng)度仍然與測(cè)量結(jié)果相吻合。鑒于flamelet化學(xué)反應(yīng)模型能夠預(yù)測(cè)中間基組分的濃度，也被

8、作者所采用。本文使用的k-ε湍流模型Cε2=1.83和flamelet化學(xué)反應(yīng)模型對(duì)含濕量為0％、10％和20％的火焰結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬。結(jié)果表明，水蒸氣的加入嚴(yán)重影響燃燒火焰的溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)。在濕空氣燃燒情況下火焰的溫度峰值較低，同時(shí)主要組分CH4、O2、H2O、CO2和CO的分布受到很大的影響，次要組分OH和O均隨含濕量的增大而降低。 濕空氣燃燒的火焰結(jié)構(gòu)以及影響火焰結(jié)構(gòu)的參數(shù)與常規(guī)燃燒規(guī)律相似。但火焰燃燒穩(wěn)定性下降趨勢(shì)很明顯，這