《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﹐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。

燃燒過程的特點 為了適應(yīng)燃?xì)廨啓C(jī)輕小的等點﹐燃燒室的尺寸都設(shè)計得比較緊湊﹐一般它在單位時間和單位體積內(nèi)能夠燃燒釋放出比常壓鍋爐大 10~300倍的熱量﹐因而燃燒過程是在高熱強度﹑高速流動的連續(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﹐有時還要求同一個燃燒室能夠兼燒多種燃料。這些特點使得燃燒過程甚難組織﹐為此必須采取特殊措施。否則﹐燃燒室會被燒壞﹐火焰容易被吹滅﹐燃料不能完全燃燒﹐火焰會伸得過長而燒毀燃?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。

工作過程 對于圖 分管型燃燒室結(jié)構(gòu) 中的燃燒室來說﹐由壓氣機(jī)(即壓縮機(jī))送來的高壓空氣﹐首先在擴(kuò)壓段中擴(kuò)壓降速﹐以減小氣流流經(jīng)燃燒室時的流阻損失﹐同時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。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"﹐它通過許多排冷卻空氣射流孔﹐沿著火焰筒的內(nèi)壁表面流動﹐形成冷卻空氣保護(hù)膜﹐與在外殼和火焰筒之間流動的氣流一起﹐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"﹐它由開在火焰筒尾部的摻混射流孔噴射到由燃燒區(qū)流來的高溫燃?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)計值。這股燃?xì)馔ㄟ^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α鳌鳠醾髻|(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)計主要依靠大量的試驗和經(jīng)驗積累，并在此基礎(chǔ)上發(fā)展了一維半經(jīng)驗和半分析的燃燒室設(shè)計方法。這種計算方法是適用和可靠的，但是需要較長的研制時間、較多的研制經(jīng)費。

隨著計算機(jī)、并行計算、計算流體力學(xué)（CFD）及計算燃燒學(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)部燃燒過程成為可能。即便在現(xiàn)有條件下，通過測量的方法，也難以獲得燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室內(nèi)部的流動、溫度、組分等詳細(xì)分布的情況，數(shù)值模擬可以部分彌補上述不足。

雖然燃燒室內(nèi)部流動非常復(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，通過燃燒室的數(shù)值模擬，為燃燒室設(shè)計提供參考依據(jù)。

目前國內(nèi)燃燒室設(shè)計已經(jīng)達(dá)到經(jīng)驗分析、試驗驗證和計算分析相結(jié)合的程度，并向著計算分析為主，試驗驗證為輔的方向發(fā)展。

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

國外多家著名的燃?xì)廨啓C(jī)公司在研發(fā)過程中非常重視燃燒過程模擬并且發(fā)展了他們自己的模擬工具。近二十年來，用于流動、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)人員通過商用軟件來進(jìn)行燃燒室燃燒過程數(shù)值模擬，加速燃燒室的研發(fā)過程和節(jié)約研發(fā)經(jīng)費。

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

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

在實際燃燒室研發(fā)過程中，多采用大渦模擬（LES）或雷諾平均（RANS）的方式來解決以減少計算量，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于燃燒過程中流動結(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、溫度的湍流擾動的相互作用，需要采用燃燒模型來解決。根據(jù)燃燒過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，若只考慮流場和溫度場，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)過程。

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

上述簡要介紹了燃燒室數(shù)值模擬過程中相關(guān)的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理、湍流模型、燃燒模型、輻射模型。一般來說，上述模型都是通過計算域內(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，可以說網(wǎng)格是數(shù)值模擬的基礎(chǔ)，對模擬對象進(jìn)行良好的網(wǎng)格劃分既基礎(chǔ)、又重要。適當(dāng)計算域的選擇和準(zhǔn)確邊界條件的給定，也是燃燒過程準(zhǔn)確模擬的必要因素。

CAE分析大系 ANSYS CFD疑難問題實例詳解

作者：胡坤 顧中浩 馬海峰