贫燃预混预蒸发燃烧不稳定性的数值研究

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贫燃预混预蒸发(LPP)燃烧是一项革命性的降低NOx排放的新技术。然而,在设计条件下,贫燃预混预蒸发燃烧易于引发压力振荡和不稳定燃烧,这会限制汽轮机(GT)的操作条件,还会造成汽轮机重要组件的严重损坏。已有大量研究表明,液滴的蒸发过程与不稳定燃烧过程之间可能存在着某种影响关系。  本文根据实验平台,利用FLUENT软件,对液雾预混预蒸发燃烧进行了数值模拟来探寻燃烧不稳定性的产生机理。分析了不同空气预热温度、液滴初始直径和旋流强度下液雾的燃烧情况及压力场振荡情况。  首先,计算不同工况下冷态喷雾的蒸发情况。分析结果发现,环境温度越高,液滴的蒸发速率越大;随着旋流数的增大,中心回流区逐渐增大,液滴蒸发过程逐渐放缓;直径20μm时,液滴不需要预热过程直接蒸发,而直径为50μm、80μm时,液滴则有预热过程,并且直径越大,预热过程越长;并发现蒸发过程存在着一定程度的压力振荡。  其次,模拟上述工况的液雾燃烧情况得出,空气的预热温度越高,燃料燃烧的越充分,不稳定燃烧的程度越低;不同初始直径的液滴,其化学反应速率、火焰形状以及燃烧系统内的整体温度分布相差不大,随着液滴直径的增大,燃烧的不稳定性逐渐降低;随着预混室入口处旋流数的增大,火焰的长度越来越短,不稳定燃烧的程度有所降低;而火焰随着燃烧室入口处旋流数的变化趋势与预混室入口旋流数不同时相似,只是相较之下更为明显,振荡情况则是由高幅压力振荡逐渐过渡到较低频率的振荡。  因此,可以从空气预热温度、液滴直径和旋流强度等角度出发,改变液滴的蒸发过程,进而来改善液雾预混预蒸发不稳定燃烧的情况。
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