一种模型低污染燃烧室三维两相数值模拟

马存祥，邓远灏，徐华胜，钟世林

一种模型低污染燃烧室三维两相数值模拟

马存祥，邓远灏，徐华胜，钟世林

(中国燃气涡轮研究院，四川成都610500)

贫油预混预蒸发(LPP)技术是目前最具发展前景的低污染燃烧技术，可实现很低的NOX排放。本文采用FLU⁃ENT软件，对一种模型低污染燃烧室(采用LPP燃烧技术)进行三维两相数值模拟计算分析，研究了模型燃烧室的流场结构、流量分配、回流特性、雾化特性和燃烧性能，并对NOX排放进行了预测。结果表明，模型燃烧室流场中存在与TAPS燃烧室相似的三个涡结构，流量分配与试验吻合良好，雾化特性良好并具有较好的温度场和低的NOX排放。

LPP；燃烧室；数值模拟；污染排放

1 引言

为达到发动机低污染排放目的，早在上世纪80年代，国外就开始研究贫油预混预蒸发(LPP)燃烧技术[1]，并成功应用于工业燃气轮机[2]，实现了很低的NOx排放。经过近30年的发展，LPP燃烧室已成功应用于航空发动机。GE公司研发的用于GEnx发动机上的TAPS(双环预混旋流器)燃烧室就是一种贫油(部分)预混预蒸发燃烧室[3]，为当今投入使用的最为先进的低污染燃烧室。

LPP燃烧室大部分空气从头部进入燃烧区进行贫油燃烧，以降低NOx排放；冷却气从火焰筒冷却孔进入并贴壁流动，一般不进入燃烧区燃烧。由于LPP燃烧室不采用主燃孔和掺混孔(或采用掺混孔以控制燃烧室出口温度场)，因此其流场结构、回流区大小等与常规燃烧室的均有所不同。本文通过对一种模型低污染燃烧室进行三维两相数值模拟计算，来研究其流场结构、流量分配、回流特性、雾化特性、燃烧性能及NOx排放，并与试验数据进行对比分析。

2 研究对象与计算方法

本文研究的模型燃烧室如图1(a)所示，由主、副模组成。主模用于产生主火焰进行贫油(部分)预混预蒸发燃烧，在大工况下减少NOx排放；副模用于产生值班火焰进行扩散燃烧，在小工况下满足点火/熄火特性。由于大部分空气从头部进入燃烧区燃烧，小部分空气从火焰筒冷却孔进入燃烧室且几乎不参与燃烧，因此计算不采用火焰筒冷却结构。

采用基于压力的分离求解器、标准k-ε双方程湍流模型、一阶差分格式，并假定进入燃烧室的空气为不可压流；喷嘴模型选用压力雾化喷嘴(颗粒轨道模型)；燃烧模型采用非预混层流小火焰模型[4]，且考虑辐射影响(六通量辐射模型)；由于气态污染物NOx主要包括NO、NO2和N2O等，其中NO占绝大部分，因此本文主要研究的NOx排放即为NO排放，故在FLUENT中进行模拟计算时，排放模型采用热力型NO和瞬发型NO。模型进口采用质量流量进口边界条件，出口采用出流边界条件。采用ICEM划分网格，如图1(b)所示。对模型燃烧室设计点工况(大工况和小工况)进行三维两相数值模拟计算。

图1 模型燃烧室3D透视图及计算网格Fig.1 3D scenograph and mesh of combustor model

3 计算结果

3.1 模型燃烧室流场结构和压力损失

为避免强旋流带来的不稳定燃烧，模型燃烧室头部旋流器设计均为中等旋流强度。图2示出了模型燃烧室的速度矢量和回流区结构。从图中可看出，模型燃烧室流场中存在三个涡区：主涡(即回流区)、角涡和唇涡(包含一对小涡)，其流场结构与TAPS燃烧室的十分相似(见图3)。回流区主要用以稳定火焰，其大小直接影响燃烧室性能(点火/熄火、效率、污染排放等)。角涡没有直接作用，但与回流区共同作用影响流场，角涡过大会导致回流区最大截面直径变小、后移，使得回流区变长。由副模扩张段形成的唇涡主要起过渡作用，引导副模气流流向主模。扩张段的扩张角过大会形成较大的唇涡，将部分燃油卷吸进去，易在壁面积碳；过小则会带来壁面冷却问题。

图2 模型燃烧室流场特征Fig.2 Characteristics of combustor model flow field

图3 TAPS燃烧室流场特征[5]Fig.3 Characteristics of TAPS combustor flow field[5]

图4为模型燃烧室回流区速度等值线图，显示了回流区二维形状，其中纺锤形等值线为零速度曲线。从图看，大概在火焰筒1/3处回流区直径最大。与传统带主燃孔燃烧室相比，其回流区较长，主要是因为模型燃烧室没有主燃孔，回流区可自由发展。较长的回流区会增加燃烧室长度，进而影响燃烧室性能。图5为模型燃烧室三维零速度曲面图。

图4 回流区速度等值线图(Z=0，冷态)Fig.4 Velocity isoline of primary recirculation zone (Z=0,nonreactive)

图5 回流区形状(零速度曲面，冷态)Fig.5 Shape of primary recirculation zone(nonreactive)

图6所示为喷雾和燃烧对回流区大小的影响，其中L为火焰筒长度。从图中看，喷雾对单相空气流场的回流区结构几乎没有影响，两者都是冷态流场；燃烧对回流区结构影响较大，因为燃烧释热膨胀会挤压回流区，使其变小且最大截面后移。

图7为模型燃烧室总压恢复系数(热态)沿程分布图。从图可知，燃烧室出口总压恢复系数为0.965，与试验值相差不到1%。回流区、角涡和唇涡都是低压区，共同影响主、副模空气流路，尤其是主模出口空气流路：角涡压强低于唇涡压强时，主模出口空气流路偏向火焰筒壁面；反之则偏向并挤压回流区，使其变小，最终影响燃烧室流场结构。

图6 冷、热态回流区大小比较图Fig.6 Primary recirculation zones of nonreactive and reactive flow

图7 模型燃烧室总压恢复系数沿程分布Fig.7 Total pressure recovery coefficient distribution

3.2 模型燃烧室头部流量分配和回流特性

模型燃烧室头部有主模、副模和头部冷却孔三股进气流路，图8所示为模型燃烧室头部流量分配。从图8(a)可以看出，喷雾和燃烧对空气流量分配影响不大。因为一般情况下，喷雾会使下游压力上升，空气压降降低，进而使空气流量分配降低。从图8(b)可看出，模型燃烧室头部流量分配计算结果与试验数据吻合较好。

图8 模型燃烧室头部流量分配Fig.8 Mass flow distribution of combustor model dome

回流区的回流特性对燃烧室当量比的分布有很大影响，进而影响燃烧室的点火/熄火、温度场及污染排放等性能。回流特性主要包括回流流量特性、速度特性及几何特性(即回流区最大截面位置)。回流流量主要来自于主、副模空气流量和头部冷却空气流量。尽管通过模拟计算和试验可得到模型燃烧室主、副模及头部冷却空气流量分配，但并不能通过试验获得回流流量，回流流量只能通过数值模拟计算获得。图9所示为回流区中X/L=0.185、0.350、0.540、0.720、0.875和1.020截面的相对位置，其中X表示距头部出口的距离。

从图10显示的不同截面回流特性中可以看出，X/L=0.350截面的回流流量最大，约占燃烧室进气量的30.6%，且回流区截面直径也最大。此回流区中最大截面的回流流量不全是副模的空气流量(约占百分之十几)，另一部分来自于主模和头部冷却孔(约占一半)。

图9 回流区各截面Fig.9 Sections of primary recirculation zone

图10 回流流量特性和几何特性Fig.10 Mass-flow and geometry characteristics of primary recirculation zone

模型燃烧室回流区近似纺锤形，各回流截面近似为圆，可计算出各截面面积和截面直径。从图10显示的不同截面几何特性可看出，X/L=0.350截面的回流截面直径最大，约占火焰筒高度的60%。对于燃烧室的点火/熄火性能，回流区截面直径较大则点火较容易，但过大时燃烧室损失也较大。因此，要折中确定回流区最大截面直径及其位置。

另一个影响燃烧室点火/熄火性能的因素是回流区速度。传统燃烧室燃烧区典型参考截面速度为20～30 m/s，本文研究的模型燃烧室燃烧区各截面速度在20～40 m/s之间(大工况下)，回流区最大截面(X/L=0.350)速度约为20 m/s(见图11)，且最大截面所在的整个火焰筒截面的平均速度约为30 m/s，在典型值范围内。

3.3 模型燃烧室当量比分布

图11 回流区截面速度特性Fig.11 Velocity characteristics of primary recirculation zone

图12 模型燃烧室当量比沿程分布(Z=0，冷态)Fig.12 Equivalence ratio distribution in combustor model(Z=0,nonreactive)

图12示出了模型燃烧室火焰筒内当量比沿程分布情况(冷态)。从图中看，大工况下，回流区当量比在贫油燃烧当量比范围内(0.6～0.9)，燃烧区进行贫油燃烧，NOx等污染排放低。小工况时，回流区当量比在0.1以下，说明燃油蒸发不完全，雾化不好，对点火/熄火特性很不利。这是因为LPP燃烧室在小工况下的点火/熄火特性、燃烧效率、污染排放等性能都与雾化密切相关。国外研究[6]也证明，LPP燃烧室点火边界很窄。

图13示出了模型燃烧室头部燃油雾化特性(大工况)。从图中看，副模燃油液滴索太尔平均直径(SMD)为22.3 μm；主模喷嘴为单点直射式，其燃油液滴SMD为32.8 μm；模型燃烧室液滴SMD为32.4 μm(冷态)，平均停留时间在4.0 ms以下。由于大工况下进口温度很高，远远超过了航空煤油蒸发温度，此时火焰筒中燃油大部分已蒸发为气相，故火焰筒出口几乎没有液滴存在(见图14)。

图13 燃油液滴直径分布(大工况)Fig.13 Fuel droplet diameter distribution(case 1)

图14 燃油液滴驻留时间(大工况)Fig.14 Fuel droplet resident time(case 1)

3.4 模型燃烧室温度分布

图15所示为模型燃烧室在大、小工况下的温度场。图中看，大工况下模型燃烧室有主火焰和值班火焰，温度在2 300 K左右，与TAPS燃烧室火焰结构相似[5]；小工况下只有值班火焰，温度在2 200 K左右。由于模型燃烧室没考虑火焰筒壁面冷却，燃烧室出口温度较高(分别为1 953.7 K和1 148.8 K)，且没有主燃孔和掺混孔，绝大部分火焰筒冷却气不参与燃烧，按质量加权平均可计算出燃烧室出口平均温度，与试验值吻合很好(相差在5%以内)。

3.5 模型燃烧室NOx排放

本文计算的NOx(主要为NO)主要包括热力型NO和瞬发型NO。由于热力型NO对温度很敏感，故先采用非预混层流小火焰模型计算得到温度场(认为此时温度场达到稳态)，之后再加载NO排放模型。

图16所示为火焰筒三个截面上的NO质量分数。从图中看出，大工况下，最大不超过5×10-4，计算得到NOx的EI值在火焰筒出口约为7.75 g/kg，与试

图15 温度分布(Z=0)Fig.15 Temperature field(Z=0)

图16 NO沿程各截面质量分数Fig.16 Mass fraction of NO distribution in sections

验值相差在25%以内；小工况下，计算得到NOx的EI值在火焰筒出口约为2.43 g/kg，与试验值相差在15%以内。说明所选NOx排放模型基本合理，可作为后续低污染燃烧室污染排放模拟计算的依据。

4 结论

(1)模型燃烧室具有较好的回流区结构和速度场。模型燃烧室存在回流区(主涡)、角涡和唇涡三个涡区；喷雾几乎不影响回流区结构，但燃烧对回流区影响较大；模型燃烧室具有较好的总压恢复系数，损失较小；模型燃烧室回流量较大，对燃烧室点火/熄火特性有影响；模型燃烧室头部流量分配与试验吻合良好。

(2)模型燃烧室具有较好的雾化特性。大工况下雾化效果很好，对燃烧性能很有利；小工况下，由于进口温度较低，液滴停留时间短，没有完全蒸发，回流区平均当量比很低，点火较困难。

(3)模型燃烧室具有较好的温度场。采用质量加权平均修正方法得到的出口平均温度与试验结果很接近，计算结果可靠。

(4)该模型燃烧室具有较好的低NOx排放特性。所选NOx排放模型计算所得EI值与试验结果有一定差异，但在工程可接受的误差范围内。

[1]刘高恩，吴文东.高效节能发动机文集[M].北京：航空工业出版社，1991.

[2]林宇震，许全宏，刘高恩.燃气轮机燃烧室[M].北京：航空工业出版社，2008.

[3]Mongia H C.TAPS-A 4thGeneration Propulsion Combus⁃tor Technology for Low Emissions[R].AIAA 2003-2657，2003.

[4]Mongia H C.Prespective of Combustion Modeling for Gas Turbine Combustors[R].AIAA 2004-0156，2004.

[5]Dhanuka S K，Temme J E，DriscollJ F，et al.Vortex-Shed⁃ding and Mixing Layer Effects on Periodic Flashback in a Lean Premixed Prevaporized Gas Turbine Combustor[C]//. Proceedings of the Combustion Institute.2009.

[6]Kobayashi M，Ogata H，Oda T，et al.Improvement on Igni⁃tion Performance for a Lean Staged Low NOx Combustor [R].ASME GT2011-46187，2011.

Numerical Simulation of the Three-Dimensional Nonreactive and Reactive Flow in a Low Emission Combustor Model

MA Cun-xiang，DENG Yuan-hao，XU Hua-sheng，ZHONG Shi-lin
(China Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China)

The Lean Premixed Prevaporized(LPP)technology is the most promising low emission technolo⁃gy in aero-engine combustor design,which makes the emission level of pollutant NOx very low.Three-di⁃mensional non-reactive and reactive flow in a LPP model combustor was studied numerically by using FLU⁃ENT software,involving the structure of recirculation zone,characteristics of recirculation flow and atomiza⁃tion,performances of combustion and NOx emission forecast.The results indicated that recirculation zone had three vortexes as the same as TAPS combustor,mass-flow distribution agreed well with experimental data,the performances of atomization and combustion were fine,and the emission level of pollutant NOx was low.

LPP；combustor；numerical simulation；emission

V235.11+3

A

1672-2620(2012)02-0028-05

2011-05-20；

2011-12-31

马存祥(1986-)，男(回族)，宁夏人，工程师，硕士，主要从事民用航空发动机低污染燃烧室的设计与性能计算工作。