《燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室》

燃?xì)廨啓C(jī)中使噴入的燃料與從壓氣機(jī)來(lái)的高壓空氣混合燃燒從而形成高溫燃?xì)獾脑O(shè)備。它能在近乎等壓的條件下把燃料中的能量釋放出來(lái)﹐直接加熱工質(zhì)(空氣)以提高其作功能力。通常﹐它是用鋼板和高溫合金板料制成的。

燃燒過(guò)程的特點(diǎn) 為了適應(yīng)燃?xì)廨啓C(jī)輕小的等點(diǎn)﹐燃燒室的尺寸都設(shè)計(jì)得比較緊湊﹐一般它在單位時(shí)間和單位體積內(nèi)能夠燃燒釋放出比常壓鍋爐大 10~300倍的熱量﹐因而燃燒過(guò)程是在高熱強(qiáng)度﹑高速流動(dòng)的連續(xù)氣流中進(jìn)行的。此外﹐由于進(jìn)入燃?xì)馔钙降娜細(xì)獬鯗氐南拗譬o供給燃燒室的空氣流量與燃料流量的比值總是比理論燃燒條件下的配比關(guān)系大得多﹐而且氣流的溫度﹑壓力和流速都隨燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷的改變而發(fā)生較大幅度的變化﹐有時(shí)還要求同一個(gè)燃燒室能夠兼燒多種燃料。這些特點(diǎn)使得燃燒過(guò)程甚難組織﹐為此必須采取特殊措施。否則﹐燃燒室會(huì)被燒壞﹐火焰容易被吹滅﹐燃料不能完全燃燒﹐火焰會(huì)伸得過(guò)長(zhǎng)而燒毀燃?xì)馔钙健?

結(jié)構(gòu) 燃燒室通常有圓筒型﹑分管型﹑環(huán)管型和環(huán)型之分。圖 分管型燃燒室結(jié)構(gòu) 中是一種分管型燃燒室。它由擴(kuò)壓段﹑外殼﹑火焰筒﹑燃料噴嘴﹑點(diǎn)火器和燃?xì)鈱?dǎo)管等部件組成。在火焰筒上一般都裝有旋流器﹐并開(kāi)設(shè)一次空氣射流孔﹑二次空氣摻混射流孔和冷卻空氣射流孔。此外﹐為了把火焰筒安裝在外殼中﹐還設(shè)置有定位組件。在分管型和環(huán)管型燃燒室中﹐為了點(diǎn)火傳焰和平衡各燃燒室之間的壓力﹐還裝設(shè)有聯(lián)焰管﹐使各火焰筒的燃燒空間能夠彼此溝通。

工作過(guò)程 對(duì)于圖 分管型燃燒室結(jié)構(gòu) 中的燃燒室來(lái)說(shuō)﹐由壓氣機(jī)(即壓縮機(jī))送來(lái)的高壓空氣﹐首先在擴(kuò)壓段中擴(kuò)壓降速﹐以減小氣流流經(jīng)燃燒室時(shí)的流阻損失﹐同時(shí)使火焰能在速度稍低的火焰筒中穩(wěn)定地燃燒﹐以防被吹滅。進(jìn)入燃燒室的空氣分流成為幾個(gè)部分逐漸流入火焰筒﹐以適應(yīng)空氣流量與燃料流量的比值總是比理論燃燒條件下的配比關(guān)系大很多的特點(diǎn)。其中之一稱為"一次空氣"﹐它分別由旋流器和一次空氣射流孔流入火焰筒前端的燃燒區(qū)﹐與由燃料噴嘴供來(lái)的燃料混合和燃燒﹐轉(zhuǎn)化成為1500~2000℃的燃?xì)猢o這部分空氣大約占進(jìn)入燃燒室的總空氣流量的25%﹔另一部分空氣稱為"冷卻空氣"﹐它通過(guò)許多排冷卻空氣射流孔﹐沿著火焰筒的內(nèi)壁表面流動(dòng)﹐形成冷卻空氣保護(hù)膜﹐與在外殼和火焰筒之間流動(dòng)的氣流一起﹐冷卻高溫的火焰筒壁﹐使其免遭燒壞。剩下的那部分空氣則稱為"二次摻混空氣"﹐它由開(kāi)在火焰筒尾部的摻混射流孔噴射到由燃燒區(qū)流來(lái)的高溫燃?xì)庵腥ォo以使燃?xì)鉁囟饶軌虮容^均勻地降低到燃?xì)獬鯗氐脑O(shè)計(jì)值。這股燃?xì)馔ㄟ^(guò)燃?xì)鈱?dǎo)管送到燃?xì)馔钙街腥プ鞴?。調(diào)整各股空氣流量的分配規(guī)律﹑改善燃料霧化質(zhì)量及其與一次空氣流的配比關(guān)系﹐設(shè)計(jì)良好的燃燒室和燃料噴嘴的結(jié)構(gòu)﹐可以保證滿意的燃燒性能。

燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室內(nèi)部燃燒過(guò)程包含湍流、燃油霧化蒸發(fā)和混合、化學(xué)反應(yīng)、燃?xì)獾妮椛浜蛯?duì)流、傳熱傳質(zhì)等多種現(xiàn)象，并且這些現(xiàn)象中，有的是相互耦合、相互作用的。

早期，燃燒室的設(shè)計(jì)主要依靠大量的試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)積累，并在此基礎(chǔ)上發(fā)展了一維半經(jīng)驗(yàn)和半分析的燃燒室設(shè)計(jì)方法。這種計(jì)算方法是適用和可靠的，但是需要較長(zhǎng)的研制時(shí)間、較多的研制經(jīng)費(fèi)。

隨著計(jì)算機(jī)、并行計(jì)算、計(jì)算流體力學(xué)（CFD）及計(jì)算燃燒學(xué)（CCD）等不斷發(fā)展進(jìn)步，使得模擬燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室內(nèi)部燃燒過(guò)程成為可能。即便在現(xiàn)有條件下，通過(guò)測(cè)量的方法，也難以獲得燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室內(nèi)部的流動(dòng)、溫度、組分等詳細(xì)分布的情況，數(shù)值模擬可以部分彌補(bǔ)上述不足。

雖然燃燒室內(nèi)部流動(dòng)非常復(fù)雜且伴隨著化學(xué)反應(yīng)、精確模擬非常困難，但仍然希望數(shù)值模擬能夠部分替代試驗(yàn)，通過(guò)燃燒室的數(shù)值模擬，為燃燒室設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

目前國(guó)內(nèi)燃燒室設(shè)計(jì)已經(jīng)達(dá)到經(jīng)驗(yàn)分析、試驗(yàn)驗(yàn)證和計(jì)算分析相結(jié)合的程度，并向著計(jì)算分析為主，試驗(yàn)驗(yàn)證為輔的方向發(fā)展。

現(xiàn)在，計(jì)算已成為燃燒室設(shè)計(jì)不可缺少的一部分。在整個(gè)燃燒室研發(fā)的過(guò)程中，通過(guò)試驗(yàn)和CFD模擬相結(jié)合的方式，首先采用數(shù)值模擬對(duì)初步設(shè)計(jì)方案進(jìn)行篩選、分析，發(fā)現(xiàn)存在的問(wèn)題并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施進(jìn)行優(yōu)化，然后再進(jìn)行試驗(yàn)，從而達(dá)到節(jié)約研制經(jīng)費(fèi)、縮短研制周期之目的。

國(guó)外多家著名的燃?xì)廨啓C(jī)公司在研發(fā)過(guò)程中非常重視燃燒過(guò)程模擬并且發(fā)展了他們自己的模擬工具。近二十年來(lái)，用于流動(dòng)、傳熱、燃燒數(shù)值模擬的商用軟件也有了巨大的發(fā)展，比如PHOENICS，CFX，F(xiàn)LUENT，STAR-CD，F(xiàn)LOW-3D等。這些商用CFD軟件的出現(xiàn)，更加快速、廣泛的推進(jìn)了燃燒室研發(fā)人員通過(guò)商用軟件來(lái)進(jìn)行燃燒室燃燒過(guò)程數(shù)值模擬，加速燃燒室的研發(fā)過(guò)程和節(jié)約研發(fā)經(jīng)費(fèi)。

燃燒室燃燒仿真面臨的困難主要在于：1）燃燒反應(yīng)過(guò)程中化學(xué)組分多；2）模擬對(duì)象燃燒過(guò)程中長(zhǎng)度尺度和時(shí)間尺度跨度范圍大；3）化學(xué)反應(yīng)的高度非線性和溫度、反應(yīng)物濃度的湍流脈動(dòng)是耦合在一起的。

以碳?xì)淙剂先紵齺?lái)說(shuō)，反應(yīng)中涉及的化學(xué)組分就多達(dá)上千種，為了在實(shí)際研發(fā)過(guò)程中模擬燃燒過(guò)程，必須有適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化機(jī)理來(lái)滿足現(xiàn)有計(jì)算條件且盡可能準(zhǔn)確的捕捉燃燒過(guò)程。一般地，燃燒室的特征長(zhǎng)度在幾百毫米左右，但燃燒過(guò)程中最小的湍流特征長(zhǎng)度只有幾十微米，相差千倍以上，為了精確模擬該過(guò)程，即使采用直接數(shù)值模擬（DNS）也是相當(dāng)困難的，因?yàn)橛?jì)算量驚人。

在實(shí)際燃燒室研發(fā)過(guò)程中，多采用大渦模擬（LES）或雷諾平均（RANS）的方式來(lái)解決以減少計(jì)算量，采用RANS的方式就不可避免的需要采用湍流模型，大渦模擬中也需采用亞格子模型，上述這些湍流模型對(duì)于燃燒過(guò)程中流動(dòng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展、演化有重要的影響。

至于化學(xué)反應(yīng)與組分濃度、溫度的湍流擾動(dòng)的相互作用，需要采用燃燒模型來(lái)解決。根據(jù)燃燒過(guò)程中燃料和氧化劑的不同進(jìn)入方式可以分為預(yù)混燃燒、非預(yù)混燃燒、部分預(yù)混燃燒，可以根據(jù)不同的燃燒方式選擇合適的燃燒模型。

也可根據(jù)化學(xué)反應(yīng)速度分為快速反應(yīng)的模型和有限反應(yīng)速度的模型，若只考慮流場(chǎng)和溫度場(chǎng)，可以選用快速反應(yīng)的模型，若還需考慮組分濃度分布，則應(yīng)選擇有限反應(yīng)速度的模型。如果燃料形態(tài)是液體，還需考慮液體的噴霧及蒸發(fā)過(guò)程。

此外，燃燒室燃燒過(guò)程中，產(chǎn)生的熱有一部分通過(guò)輻射的方式傳遞給火焰筒壁面，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)壁面溫度選用適當(dāng)?shù)妮椛淠Ｐ秃苤匾?/p>

上述簡(jiǎn)要介紹了燃燒室數(shù)值模擬過(guò)程中相關(guān)的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理、湍流模型、燃燒模型、輻射模型。一般來(lái)說(shuō)，上述模型都是通過(guò)計(jì)算域內(nèi)的網(wǎng)格為基礎(chǔ)單元進(jìn)行離散求解獲得相應(yīng)的解，可以說(shuō)網(wǎng)格是數(shù)值模擬的基礎(chǔ)，對(duì)模擬對(duì)象進(jìn)行良好的網(wǎng)格劃分既基礎(chǔ)、又重要。適當(dāng)計(jì)算域的選擇和準(zhǔn)確邊界條件的給定，也是燃燒過(guò)程準(zhǔn)確模擬的必要因素。

CAE分析大系 ANSYS CFD疑難問(wèn)題實(shí)例詳解

作者：胡坤 顧中浩 馬海峰