燃气轮机旋流通道小孔射流问题的大涡模拟

王 平, 余 倩, 王宝同, 徐 亮

(1. 江苏大学 能源研究院, 江苏 镇江 212013; 2. 江苏大学 能源与动力工程学院, 江苏 镇江 212013)

按燃料和空气的混合方式,可将燃烧分为预混燃烧、非预混燃烧和部分预混燃烧.部分预混燃烧现象在工程实际中广泛存在,但目前能够较好计算部分预混火焰的燃烧模型却不多,对它的研究有待进一步深入,尤其是在部分预混燃烧的大涡模拟(LES)研究方面[1].

燃烧界关于部分预混燃烧装置的理论分析和试验研究也早已开展,并取得很大的突破,其中之一就是对PRECCINSTA燃烧装置开展的研究.PRECCINSTA模型燃烧器有详细、丰富的试验数据,可用来检验亚网格燃烧模型的性能.众多学者对该模型进行了大量的数值模拟研究.文献[2]采用了火焰增厚模型和完全可压缩LES方法对其进行了当量比为0.83的预混合火焰计算.文献[3-4]对当量比为0.83的状态也进行了LES计算.文献[5]采用不同模型对当量比为0.83和0.75的状态进行了LES的计算模拟.文献[6-7]使用LESOCC2C程序对PRECCINSTA进行了当量比为0.75和0.83的预混合火焰计算,详细分析了湍流火焰结构.发现前期大部分研究集中在预混合燃烧模式上,对小孔射流引起的部分预混燃烧状态研究甚少,对其中的燃烧不稳定现象也没能开展充分研究.

动态火焰增厚(DTF)模型是一种应用比较广泛的亚网格燃烧模型,可以计算预混、部分预混[8]和非预混火焰,具有一定的网格独立性.由于火焰锋面很薄,DTF模型通过改变化学反应速率指前因子常数和扩散系数人为增加火焰厚度[9],使其可以被LES网格求解.然而,DTF模型需要求解组分输运方程,其中的反应源项需通过阿累尼乌斯公式计算.为了控制计算量,DTF模型通常仅考虑极少步的简化反应机理,如:一步反应机理[10]、二步反应机理[11]等.一般而言,二步反应机理比较常用,但其适用的当量比波动范围不宽,约为[0.50,1.00],当量比波动超出此范围,计算误差会大大增加;采用更多步反应机理可提高计算精度,但其计算量也大大增加.

笔者采用DTF模型对该燃烧器中的部分预混火焰开展进一步研究.对甲烷和空气的冷态混合现象进行LES计算,考虑燃料由小孔射入并与主流空气相混合现象,深入分析小孔射流所引起的当量比分布的不均匀性,着重从数值计算角度研究甲烷/空气部分预混现象,探求不同条件下混合气进入燃烧室前在锥形通道出口处当量比的波动范围,为下一步开展湍流部分预混火焰计算及选择合适的反应机理提供理论依据.

1 计算设置

1.1 结构化网格划分

PRECCINSTA模型燃烧装置基本结构如图1所示,计算所用的网格在原有的PRECCINSTA燃烧室网格的基础上加以修改得到[7].在原有的计算域里没有考虑燃料小孔射流问题,为此在原有网格的12个旋转通道上游处各增加一个直径为1 mm、长为6 mm的入流管道(图2a,b),实现与试验情况一致的混合模式.计算域由12个旋转通道、锥形通道和12个射流小孔等构成,将下游燃烧室排除在外.

图1 PRECCINSTA模型燃烧器几何图

图2 模型燃烧器网格图

在小孔射流断面采用O型分块结构网格,计算域被分隔成360块,网格数达到120万个.为了开展网格精度研究,对锥形通道部位的网格块进行局部加密(沿径向、周向)得到网格数为180万个的新网格,这2种网格分别简记为“1.2 M网格”和“1.8 M网格”.

1.2 边界条件设定

通过计算得到2种工况下(温度T=320 K, 全局当量比φc=0.70和T=325 K,φc=0.83)甲烷和空气进入各自入口通道的速度,如表1所示.边界条件设置参考文献[6],对于固体边界,采用绝热壁面条件,出口处采用对流出口边界条件.

表1 2种工况下甲烷、空气入口速度

1.3 数值方法

采用流场计算程序LESOCC2C对PRECCINSTA旋转混合室进行LES计算,LESOCC2C通过求解低马赫数可压缩N-S方程[12],利用分块结构网格处理复杂计算域问题,同时通过MPI技术实现大规模多核心并行计算.采用密度可变动力Smagorinsky模型来确定SGS(subgrid scale)模型动量方程中的涡流黏性,并采用梯度扩散模型得到SGS标量通量.

2 计算结果及分析

燃烧室前端旋转混合室如图3所示.

图3 燃烧室前端旋转混合室

着重研究燃烧室前端锥形通道图3a出口处当量比波动,图3b显示了锥形通道部分轴向(I方向)、周向(J方向)和径向(K方向)的切面.在I方向有3层:p1,p2和p3.p1面为锥形通道出口面;在J方向选取了0°,90°,180°和270°这4个切面;在K方向有R1,R2和R3这3个位置.在每个p层上,分别沿R1,R2和R3的3个圆周方向统计分析当量比波动情况;I方向和J方向的切面间形成了12条交线,对每条交线上当量比进行对比分析,来研究甲烷和空气的混合情况.

全局当量比为0.83,1.8 M网格下混合室内甲烷质量分数为0.053的瞬时等值面如图4所示,图4从宏观角度展示了甲烷小孔射流现象.由图4可以看出:无论是周向还是径向甲烷质量分数均存在强烈的不均匀分布,说明在锥形通道内混合气当量比波动很大,甲烷与空气的混合均匀度不高.

图4 甲烷质量分数瞬时等值面

2.1 入流通道瞬时流场分析

在全局当量比φc分别为0.70和0.83时,进行1.2 M网格和1.8 M网格计算.1.8 M网格旋转通道内甲烷瞬时质量分数w等值面图如图5所示,甲烷小孔射流现象明显,受主空气流的影响,混合气体中甲烷有由内向外逐渐扩散且贴壁输运的趋势.

图5 1.8 M网格旋转通道内甲烷瞬时质量分数等值面图

12个旋转通道内沿Oyz切面甲烷质量分数瞬时分布如图6所示.

图6 1.8 M网格Oyz切面甲烷质量分数瞬时分布

对比图6a,b可以看出:在2种当量比下,甲烷与空气的部分预混合趋势基本一致;甲烷通过小孔射入空气流后,湍流效应明显加剧;甲烷气体均有沿流动方向倾向于沿通道右侧壁面扩散的趋势,且每个通道内运动态势大致相同.

2.2 锥形通道流场分析

当量比平均值φm和瞬时值φ的分布分别如图7,8所示.对应的空间位置为图3b中的90°和270°切面,简称为纵切面.从图7可以看出:随着网格的加密,预测得到的平均当量比分布略均匀,但在锥形通道流场末端都未能达到均匀分布,且中间高外面低.1.8 M网格下计算得到的当量比瞬时分布如图8所示,无论是φc=0.83还是φc=0.70状态,两者的当量比均呈现了剧烈的变化.随着混合时间的增加(混合气从上游到下游),φ的波动逐渐趋缓,但在锥形通道出口处依然没有达到均一分布.

将每个纵切面与p1,p2和p3这3个面做交线,记为A1,A2和A3.φc=0.70及φc=0.83锥形通道0°切面内当量比沿径向波动的对比分别如图9,10所示，r为径向距离，当量比沿径向分布波动范围很大,1.2 M网格预测的波动范围略大于1.8 M网格.从图9a, 10a可以看出:从A3到A2再到A1,随着混合时间的增加,φ的波动幅度不断减小.从图9b,10b可以看出:φm的变化幅度要平缓得多,在该流场中,甲烷和空气的混合过程是强瞬态过程,如果利用雷诺平均(RANS)方法则难以准确描述这个过程.

图7 φc=0.83锥形通道纵切面当量比平均值分布图

图8 1.8 M网格锥形通道纵切面当量比瞬时值分布图

图9 φc=0.70锥形通道0°切面内当量比沿径向波动的对比

图10 φc=0.83锥形通道0°切面内当量比沿径向波动的对比

2.3 锥形通道出口面流场分析

甲烷/空气混合后,从锥形通道出口进入下游燃烧室,并点火燃烧,因此研究锥形通道出口面的当量比变化,对了解下游部分预混合燃烧有重要意义.锥形通道出口面当量比的瞬时值和平均值分布云图如图11-14所示.从图11,12可以看出:φc=0.83时,2种网格预测所得当量比瞬时值波动范围非常接近,且当量比平均值波动范围也比较吻合,φc=0.70的亦是如此.综观图11-14可得结论:采用1.8 M网格计算得到的当量比与1.2 M网格计算的结果相比略显平滑、均匀,但两者的结果在出口面均呈现外面小中间高的不均匀分布现象.

图11 φc=0.83锥形通道出口面当量比瞬时值分布

图12 φc=0.83锥形通道出口面当量比平均值分布

图13 φc=0.70锥形通道出口面当量比瞬时值分布

图14 φc=0.70锥形通道出口面当量比平均值分布

为了研究锥形通道环周方向当量比波动情况,在锥形通道出口面沿R1,R2及R3这3个不同直径圆周上取当量比瞬时值和时间平均值,绘制周向当量比波动分布图.锥形通道出口面沿R2环周方向的当量比波动情况如图15,16所示,θ为位置角度.从图15,16可以看出:当量比平均值变化很平缓,但其瞬时值呈现剧烈的波动;对φc=0.83状态由粗、细网格计算得到的当量比瞬时值变化范围分别是[0.60,1.15]和[0.59,1.01];而对φc=0.70状态,其粗、细网格结果分别是[0.39,1.00]和[0.41,0.99].

图15 φc=0.83锥形通道出口面沿R2周向当量比分布

图16 φc=0.70锥形通道出口面沿R2周向当量比分布

3 结 论

1) 分别对全局当量比为0.83和0.70的PRECCINSTA 燃烧器小孔燃料射流及甲烷/空气混合流动问题进行了大涡模拟计算,结果表明:不论是全局当量比为0.83还是0.70的状态,其当量比瞬时值呈现剧烈的波动,在锥形通道出口处,其波动范围分别接近于[0.59,1.15]和[0.40,1.00];采用1.2 M和1.8 M网格计算所得当量比波动范围很接近,可认为网格精度已经达到计算要求,计算结果可靠.

2) 全局当量比为0.83时,由于当量比的波动范围均在可燃界限以内,采用完全预混燃烧模式计算此PRECCINSTA模型燃烧器,其计算结果与试验值差别不大,可以接受;但对全局当量比为0.70来说,当量比波动超出可燃界限,甚至导致在燃烧过程产生热声振荡现象,如果依然采用完全预混燃烧模式来计算,则难以捕捉此燃烧不稳定现象,因此必须采用合适的部分预混燃烧模型和简化反应机理才能处理.

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