当量比对锥形燃烧器火焰稳定位置影响

宋少雷，赵铁铮，刘 潇，杨家龙

(1. 海装驻哈尔滨地区第三军事代表室, 哈尔滨 150078；2. 哈尔滨工程大学 动力与能源工程学院, 哈尔滨 150001)

近年来，随着世界范围内环境问题的日益突出，污染物限排标准日趋严格，如何解决燃气轮机高效率、稳定、低污染物排放量的燃烧问题已成为燃气轮机生产厂商对于燃气轮机燃烧室发展所需考虑的关键问题[1]。许多厂商采用贫预混燃烧技术来取代传统的扩散燃烧技术[2-3]，贫预混燃烧过程中燃料与空气在进入燃烧室前预先混合，燃料与空气混合后会在贫燃状态下进行燃烧，从而降低了火焰温度，达到减少污染物排放的目的。目前贫预混燃烧方式已经得到了广泛的应用[4-5]。然而，贫预混燃烧方式存在小尺寸内燃料与空气无法快速均匀掺混与燃烧稳定性方面的问题。针对这些问题，Alstom公司开发了新一代干式低污染燃烧技术，成功研制了EV燃烧器[6-8]。EV燃烧器的燃料与空气掺混效率高，具有防止自动点火及回火的结构特性，拥有良好的燃料适用性，在未来具有相当大的发展潜力。

贫预混燃烧过程中燃料与空气预先混合成可燃混合物，较常规的扩散燃烧更易产生不稳定燃烧现象。在不稳定燃烧中，回火的发生会使燃烧器壁面与燃料孔附近的温度升高，影响到燃烧器的寿命与可靠性，甚至有烧毁燃烧器的危险。旋流预混火焰中产生回火的原因较多[9-10]，其中不同工况下当量比的变化是引发回火发生的关键因素之一。Noble等人[11]通过实验研究发现，在当量比达到回火极限附近时，略微增加当量比都会使火焰迅速向上游传播并发生回火。田晓晶等人[12]利用时间尺度模型对旋流火焰进行研究，发现当达到临界当量比时会发生回火，回火当量比受预混段长度与预混段出口的水利直径影响。此外，当量比的变化会引起燃料掺混过程的变化，进而影响到燃料空间分布，并对火焰结构与燃烧模式产生影响。Sweeney等人[13]研究了燃料与空气的空间分布对火焰结构参数的影响，研究发现不同的燃料空间分布会对火焰结构、燃烧中间产物等产生影响。Schmitt等人[14]将数值研究应用于实际的EV燃烧器中，发现不同当量比条件下火焰稳定位置和形状会发生改变。Rosenberg等人[15]采用实验方法进行研究，比较了燃烧场内同一区域内的示踪组分浓度梯度间的关系，判断局部火焰的扩散和预混燃烧模式，结果表明局部当量比的变化会引起火焰多重燃烧模式。

从现有学者的研究来看，针对锥形燃烧器中甲烷旋流火焰的回火过程的研究比较少。同时，大部分只是给出了当量比会引起火焰稳定位置变化的结论，缺少从掺混与燃烧模式变化角度对温度分布变化进行详细的分析。基于对掺混过程进行细致分析，解释不同燃料空间分布及掺混过程对高温区位置与污染物排放变化规律的研究较少。本文针对锥形燃烧器，采用数值模拟方法对不同当量比下的流动与掺混特性、燃烧模式与温度分布进行细致分析，找到了发生回火的当量比并分析了产生回火的原因，最后对NOx与CO排放量随当量比的变化趋势进行了分析。

1 锥形燃烧器的结构与数值方法

1.1 燃烧器模型结构

本文中数值模拟所采用的锥形燃烧器结构如图1所示[16]。计算区域包含了锥形燃烧器头部与面积扩张比为6.25∶1的圆柱形燃烧室。燃烧器由两个相互错开的半锥形组成，它们在径向移动错开产生两个等宽的狭缝作为空气进口。沿狭缝的切线布置了36个直径为1 mm燃料孔，燃料经管道上的小孔与空气流动方向垂直进入并在旋流的作用下进行掺混。空气由狭缝流入燃烧器产生强烈的切向速度分量，在燃烧器出口附近产生了高度的旋流进而发生涡破碎，产生中心回流区来稳定火焰，使得火焰前锋可以稳定在燃烧器出口而不会附着在燃烧器的金属表面上，本文所采用的锥形燃烧器的旋流数为1。锥形燃烧器的锥角为11°，出口处半锥的直径D= 42 mm，该直径是用于定义所有特征数的参考距离。在燃烧器头部的中心布置了直径为1.5 mm的值班级燃料喷嘴，起到了稳定燃烧的作用。

(a) 燃烧室整体结构

1.2 数值方法

本文使用ANSYS-Fluent 18.2对含有锥形燃烧器头部的模型燃烧室内的流动与燃烧特性进行了三维 CFD 模拟，经过网格无关性验证选择采用ICEM生成273万四面体与六面体的混合网格。其中，六面体结构化网格集中在燃烧室中。由于锥形燃烧器内的结构复杂，燃烧器内部采用四面体的非结构网格划分，并对靠近燃烧器内部壁面与燃料孔附近进行了局部网格的加密。计算域的纵向截面的网格示意图如图2所示。燃烧室的内部流场采用压力-速度耦合算法，湍流模型采用Realizable k-ε模型，近壁面采用标准壁面函数。压力与速度耦合采用SIMPLE算法。燃料与空气入口为质量流量入口，进口温度均为300 K，出口边界条件为压力出口，即为大气压101 325 Pa，燃烧室的壁面简化为固壁，采用二阶精度迎风差分的格式。湍流燃烧模型采用火焰面生成模型。对于模拟中NOx的计算方法采用NOx后处理模型方法进行模拟，热力型NOx的O和OH基团摩尔分数基于部分平衡假设，N2O模型基于准稳态平衡假设，采用基于β函数的PDF模型考虑湍流和化学反应的耦合作用。

图2 沿纵向截面计算域网格划分示意图

2 结果与讨论

2.1 模型验证

为确保数值模拟结果的准确性，将模拟结果与实验数据进行比较，对比结果验证了数值模拟过程的准确性。如图3所示，z为距离燃烧器出口位置的轴向距离，D为燃烧器出口半锥的直径。选取燃烧器出口处为z/D=0截面，沿轴向方向设置z/D=0.25、z/D=0.5、z/D=0.75与z/D=1四个参考截面。

图3 燃烧器剖面图与特征截面定义

与实验相对照的结果如图4所示，图中曲线为模拟结果、点为实验数据[17-18]。图4中r表示距离中轴线的径向距离，U0为燃烧器出口位置平均轴向速度，u和v分别表示了轴向速度与径向速度。由图4可知在参考截面处，轴向与径向速度变化趋势的模拟结果与实验测量结果吻合较好，正确预测了中心回流区的位置与强度，并正确捕获旋流射流与中心回流区之间的剪切层，证明本文所用的湍流及燃烧模型具有一定的合理性，可以开展进一步研究。

2.2 流场分析

本文通过改变燃料孔中喷射的预混级燃料的质量流量以改变当量比。选取了5种不同当量比条件下的工况，具体各工况参数如表1所示。采用固定的值班级燃料质量流量，由于头部值班级的燃料流量较小，可以认为对模拟结果影响很小。

表1 不同当量比工况下的流量参数

本文中用y表示距离中轴线的径向距离，当径向距离为y=0时的纵向中截面表示为截面A。图5为不同当量比条件下截面A上的轴向速度分布，从左至右分别为工况1至工况5。由于锥形燃烧器的横截面积是逐渐增大的，空气进入燃烧器中的狭缝后，会产生速度与压力梯度，进而发展成为中心回流区。同时由于回流区的发展受燃烧室壁面的限制，使得在外剪切层与燃烧室壁面间形成了外部回流区。各工况下中心回流区均稳定在燃烧器出口附近，轴向速度分布没有显著差异。随着当量比的增加，主燃级的燃料质量流量增加，燃料孔的孔径不变，致使燃料的射流速度增加，对燃烧室头部位置的速度场有所影响。由图5可知，中心燃料导管与燃料孔出口位置处速度增大，中心回流区的轴向长度有所减小。

图5 不同当量比下截面A轴向速度分布图

图6表示了不同当量比情况下截面A的温度分布。如图6所示，在中心回流区与外部回流区之间形成剪切层，受剪切应力影响，该区域附近的可燃气体混合物不能燃烧，因此温度较低。中心回流区与外部回流区中氧气供应充足，燃烧反应更完全，热量完全释放，温度较高。随着当量比的增加,流场内温度逐渐升高，中心高温区逐渐向燃烧器内部移动。特别是当量比由0.66变化到0.72时，火焰前端位置发生明显改变，火焰锋面的稳定位置逐渐向燃烧器内移动，直到当量比增加至0.72时，火焰开始进入锥形燃烧器内部，高温火焰会使得燃烧器的壁面产生烧毁的危险。火焰稳定位置发生改变的主要原因为随当量比升高湍流火焰传播速度增大，而燃料与空气混合物的供给不足，使得火焰锋面位置向燃烧器上游移动。考虑到实际过程中，锥形燃烧器空气进口的狭缝位置的气流速度较高，并且狭缝处燃料与空气的掺混过程刚刚开始，并未形成稳定燃烧的燃料空气均匀混合物，因此狭缝位置处并未产生回火至上游位置，这也是锥形燃烧器可以保持较好的燃烧稳定性的优点之一。另一方面，在实际的燃烧过程中，可以通过改变值班级燃料的比例与射流的速度等方式，将高于0.72当量比下的火焰锋面的位置向下游移动，以避免燃烧器存在烧毁的危险。

图6 不同当量比下截面A温度分布图

为了对部分预混燃烧进行分析，选用Takeno火焰指数(Findex)对火焰的燃烧模式进行定义。 Yamashita[19]将其定义为燃料和氧化剂质量分数(YF,YO)梯度的标准化点积，如式(1)所示：

(1)

式中的分母为标量点积的绝对值。因此，火焰指数仅可以取+1或-1。当燃烧模式为预混燃烧时，燃料与氧化剂的梯度相同，火焰指数为+1。当燃烧模式为非预混燃烧时，燃料位于一侧，而空气位于火焰的另一侧，火焰指数值为-1。 当火焰指数为0时，该区域内不存在火焰。

图7显示了发生在燃烧器内的火焰指数分布。在部分预混火焰中，非预混火焰位于燃烧器燃料射流孔下游附近，该区域内的当量比相对较高，用于稳定火焰。随当量比增加，燃料在燃烧器中的射流深度增加，使得大部分燃料进入燃烧器中间部分，并在该区域中形成燃料与空气混合物以产生预混火焰。从图7中也可以明显看出，当量比为0.54至0.66时，预混火焰均稳定在燃烧器出口附近区域，流场内的温度分布也较为均匀。当量比从0.66变化至0.72时发生了回火现象，并且该部分火焰的燃烧方式为预混燃烧，高温区面积有所增加。随着当量比增加到0.78，高温区进入燃烧器，并且最高温度达到2 000 K，存在烧毁内壁和燃烧器结构的危险。在这种情况下，合适的当量比可以保证火焰的稳定性与燃烧器的安全性。因此当量比位于0.6至0.66时，高温区温度较低，温度场更加均匀，并且不会产生回火，可以提高燃烧器的燃烧稳定性与使用寿命。

图7 不同当量比下截面A的火焰指数

图8为不同当量比工况下沿中轴线的轴向速度与温度分布。对于速度分布而言，当量比在0.54、0.6与0.66时的速度分布情况大致相同，在z=-60 mm到z=100 mm之间，轴向速度均为负向，在该区域内较低的轴向速度保证了火焰的稳定性。对于当量比在0.72与0.78的情况，在z=-50 mm左右的轴向位置，产生了最大速度可以达到10 m/s左右的轴向速度，然后迅速减小至负值，之后速度的变化趋势与前三种工况相同。对于温度分布，随着当量比增加，在燃烧器出口温度略有升高，随后在下游逐渐稳定。当量比为0.72与0.78时，由于产生回火燃烧反应开始发生于燃烧器内，温度有一个急剧的上升，并在此处产生一个较大的轴向速度。另一方面，温度上升的位置提前，即反应开始发生的位置向上游移动。进一步增大当量比可能会导致在空气和燃料充分混合之前在燃烧器内部发生反应，在燃烧器壁面附近产生大量热量，在燃烧器壁面附近产生的高温区域可能会对燃烧器造成损伤。

(a) 沿中轴线位置处轴向速度分布

图9为z=0.05 mm截面径向位置y方向处的轴向速度和温度分布。高温区域出现在燃烧器外的中心回流区与外部回流区中，而在剪切层中的温度相对较低。随着当量比的增大，温度的峰值不断升高。当量比在0.6至0.78时，中心高温区温度低于外部高温区，这是由于随着燃料质量流量的增大，需要更长的距离才能使燃料与空气充分混合。在z=0.05 mm截面上，中心回流区内的反应不完全，但外部回流区内的反应相对完整。而在当量比为0.54的条件下，由于注入的燃料量很小，中心回流区内进行了充分的掺混，所以中心区域的反应较为完全，使得中心区域位置的温度高于外部区域的温度。

(a) z=0.05 mm处沿径向轴向速度分布

2.3 排放分析

出口处的NOx与 CO排放量如图10所示。结果表明，随着当量比的升高，NOx的排放量逐渐增加，这主要是受高温区火焰温度与停留时间的影响。NOx排放量的具体变化趋势如下：当量比从0.54增加到0.66时，NOx排放量略有增加但均小于5×10-6。随着当量比继续增加到0.72，NOx排放量从1.3×10-6增加到11.6×10-6。当量比为0.78时，NOx排放量迅速增加到42.1×10-6。CO排放量随着当量比增加先下降后上升。低当量比时，出口存在大量的CO是由于燃料与空气混合不充分导致燃烧不完全。当量比为0.54时，出口平均温度仅为1 533 K，此时CO排放量非常高，达到1 971×10-6。当量比从0.54增加到0.6时，平均出口温度增加114 K，达到1 647 K，此时CO排放量急剧下降至179×10-6。随着当量比继续增加到0.66时，CO的排放量继续减少，达到最小值68×10-6。当量比为0.72和0.78时，CO排放量有轻微增加的趋势，分别为389×10-6和624×10-6。这是由于回火导致的燃烧器头部在高的当量比下进行反应，氧不足造成大量的CO在头部反应区生成。CO排放量的变化也说明了当量比对火焰位置的影响会使得CO呈现出明显的变化。可以通过对燃烧器的空气旋流结构、燃料孔的布置、掺混的结构的优化等方向对锥形燃烧器进行进一步的优化，以使其可以在较大的运行范围内都达到较好的燃烧性能与较低的排放值。

图10 不同当量比下NOx、 CO排放量变化

通过分析燃烧室出口位置处不同当量比下的NOx与CO排放值的变化趋势可以发现：当量比小于0.66时，NOx排放值随当量比的增加而略有增加；当量比大于0.66时，NOx排放值迅速增加；当量比从0.66增加到0.72，NOx排放增加8.9倍；当量比从0.66增加到0.78，NOx排放增加32.4倍；当量比为0.54时，虽然NOx排放量最小，但CO排放量最大；而当量比从0.66变化到0.72和0.78时，NOx和CO排放量均迅速增加。此外，考虑到此时开始回火，火焰前端不再稳定出现在燃烧器出口，开始向上游移动，高温区靠近喷嘴与燃烧器壁面，这将对燃烧器的寿命产生不利影响。发生回火的原因是随着当量比的增加，燃料的质量流量增大，在不改变喷嘴结构直径的情况下，燃料的射流深度增大。较高当量比的可燃混气集中在燃烧器内部，并进行燃烧，火焰传播速度增加高于可燃混气的供给速度，使得火焰开始向上游传播。因此，在选择合适的当量比时，需要从燃烧稳定性和排放量两方面考虑。选取当量比为0.6和0.66的工况，此时的NOx和CO排放量较低，并且不会发生回火。

3 结论

本文对锥形预混燃烧器的流动与燃烧特性进行了数值研究。针对不同当量比下模型燃烧室内的速度及温度分布、火焰稳定位置、燃烧模式、NOx和CO排放量的变化趋势进行了分析，得出以下结论：

(1) 不同当量比下的火焰位置有明显差异。当量比低于0.66时，火焰稳定于燃烧器出口位置处。当量比大于0.66时，火焰在轴向的稳定位置发生较大变化。当量比为0.72和0.78时，由于火焰传播速度增加，燃料与空气混合物的供给速度不足，产生回火。高温区进入燃烧器内部，有烧毁燃烧器内壁与喷嘴的危险。

(2) 当量比升高会导致火焰温度的升高，致使出口位置处NOx排放量随着当量比的增加而增加。当量比小于0.66时，NOx排放量随当量比的增加而略有增加。当量比大于0.66以后，NOx排放量迅速增加。当量比从0.66增加到0.72，NOx排放增加8.9倍；当量比从0.66增加到0.78，NOx排放增加32.4倍。

(3) CO排放量随当量比的增加先减小后增大。当量比为0.54时，由于不完全燃烧CO排放量最大。随着当量比增加到0.66，CO排放持续减少，并达到最小值。当量比大于0.66后，CO排放量有轻微增加的趋势。