二次空氣入口對燃?xì)廨啓C(jī)燃燒特性的影響

二次空氣入口對燃?xì)廨啓C(jī)燃燒特性的影響

燃燒是簡而言之的重要部件。他的工作過程比其他機(jī)器復(fù)雜。這是一個復(fù)雜的過程，包括氣體流動、傳熱、傳遞、化合物和反應(yīng)等復(fù)雜過程。燃燒燃燒的流動直接影響到發(fā)動機(jī)的性能和污染物的排放。為了發(fā)展高效率的燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室,同時盡可能降低污染物的排放,就需要充分了解燃燒室內(nèi)燃?xì)獾牧鲃印⑷紵隣顩r,以及弄清楚污染物的濃度分布。氮氧化物會導(dǎo)致光化學(xué)霧、酸雨、臭氧損耗等,是最主要的污染物之一,它有N2O、NO、NO2以及N2O5,燃燒生成物主要是N2O和NO,這兩者一般統(tǒng)一表示為NOx。在湍流火焰的分子級別中,NOx的形成可以分為3個不同的化學(xué)過程:熱力型NOx的形成、快速型NOx的形成和燃料型NOx的形成。熱力型NOx是通過氧化燃燒空氣中的氮氣而形成的;快速型NOx是通過在火焰前鋒面的快速反應(yīng)形成的;燃料型NOx是通過氧化燃料中的氮而形成的。筆者對某型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的旋流燃燒流動,應(yīng)用商用程序CFD對其進(jìn)行數(shù)值模擬,分析了燃燒室壓力和二次空氣入口角對燃燒室內(nèi)燃燒特性和NOx排放物的影響。1燃燒結(jié)構(gòu)對比模擬的對象是一個模型燃燒室,燃燒室二次空氣入口為圓柱形,沿圓周方向均勻分布,共10個,摻冷空氣入口為圓柱形,沿圓周方向均勻分布,共5個。燃燒室具體尺寸結(jié)構(gòu)如圖1所示。形體及網(wǎng)格劃分均采用Fluent前處理器Gambit來完成。計算形體時取其完整形體的1/5,即沿完整形體的圓周方向切出72°的形體,該形體保留2個二次空氣入口和1個摻冷空氣入口,兩個切面設(shè)置成旋轉(zhuǎn)周期性邊界條件,這樣就可以模擬出完整形體的流動狀況,形體網(wǎng)格劃分如圖2所示。2數(shù)值模擬2.1入口條件與空氣溫度燃料為CH4和空氣的預(yù)混氣體,其中CH4質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0548,過量空氣系數(shù)α=0.99955,空氣燃料比為17.2482。燃料入口條件為速度入口,并帶有一定的入口旋流角,流速為100m/s,溫度為773K。二次空氣入口條件為速度入口,流速為40m/s,與入口保持一定的夾角流入,溫度為773K。摻冷空氣入口條件為速度入口,軸向速度為20m/s,切向速度為0m/s,徑向速度為34.64m/s,溫度為500K。出口條件為壓力出口,壁面溫度500K。2.2燃燒內(nèi)標(biāo)物的體積變化取燃燒室工作壓力分別為0.1MPa、2MPa、4MPa;燃料入口旋流角為30°,分別對模型燃燒室中3種不同類型的NOx生成物進(jìn)行分析和比較。表1給出了不同壓力下熱力型NOx的平均出口體積濃度(注:平均出口體積濃度是用每立方米的空氣中所含有污染物的體積數(shù)(cm3)來表示,單位為cm3/m3)。表2給出了不同壓力下快速型NOx的平均出口體積濃度。表3給出了不同壓力下燃料型NOx的平均出口體積濃度。分析和比較表1、表2和表3可以得出:模型燃燒室中的NOx產(chǎn)物主要被熱力型NOx機(jī)制所支配,其次是燃料型NOx,而快速型NOx很少,幾乎可以忽略。不同壓力下,燃燒室中心面NOx濃度分布如圖3、圖4和圖5所示。由圖3、圖4和圖5可以看到,3種壓力下模型燃燒室內(nèi)NOx生成物主要集中在模型燃燒室中后部,這是因為燃燒室內(nèi)的溫度分布在出口附近較高,而模型燃燒室內(nèi)的NOx生成物主要被對溫度非常敏感的熱力型NOx所支配。表4給出了不同壓力下NOx的平均出口體積濃度。2.3入口旋流角對nox體積濃度的影響取燃料入口旋流角分別為30°、45°、60°,燃燒室工作壓力為0.1MPa,二次空氣入口角選為45°,燃燒室中心面NOx體積濃度分布如圖6、圖7和圖8所示。表5給出了不同入口旋流角下,模型燃燒室內(nèi)NOx體積濃度的最大值及其在燃燒室內(nèi)的軸向位置即距離燃料入口的距離。由圖6~圖8再結(jié)合表5可以得到,30°入口旋流角時,NOx體積濃度的最大值主要集中在燃燒室中后部,離出口最近;45°比30°就有所減小,主要集中在燃燒室中部;60°時,NOx體積濃度的最大值主要集中在燃燒室中前部離出口最遠(yuǎn)。表6給出了不同入口旋流角下,NOx的平均出口體積濃度。從表6可以看到,隨著入口旋流角由30°增加到60°,模型燃燒室NOx的平均出口體積濃度明顯減小,減小趨勢很劇烈,這是因為旋流角由30°增加到60°過程中,模型燃燒室內(nèi)最高溫度降低,而模型燃燒室中的NOx產(chǎn)物主要被熱力型NOx所支配,熱力型對溫度又非常敏感,因此模型燃燒室NOx的平均出口體積濃度劇烈減小。2.4燃料入口的距離取燃燒室工作壓力為0.1MPa,燃料入口旋流角為30°,二次空氣入口角分別為30°、45°和60°。表7給出了不同二次空氣入口角下,模型燃燒室內(nèi)NOx體積濃度的最大值及其在燃燒室內(nèi)的軸向位置即距離燃料入口的距離。分析表7可以得到,二次空氣入口角為30°時,NOx體積濃度的最大值離出口最遠(yuǎn),60°次之,45°離出YX口最近;而二次空氣入口角為30°時,NOx體積濃度的最大值數(shù)值最大,45°次之,60°時其數(shù)值最小。表8給出了不同二次空氣入口角下,NOx的平均出口體積濃度。分析表8可以看到,隨著二次空氣入口角由30°增加到60°,模型燃燒室NOx的平均出口體積濃度呈減小趨勢,這是因為二次空氣入口角由30°增加到60°過程中,模型燃燒室內(nèi)最高溫度降低,而模型燃燒室中的NOx產(chǎn)物主要被熱力型NOx所支配,熱力型NOx對溫度又非常敏感,因此模型燃燒室NOx的平均出口體積濃度劇烈減小。3燃料旋流角度的影響(1)NOx排放隨著燃燒室壓力的增加,先增加后減少,原因在于隨著燃燒室壓力的增加,燃燒室內(nèi)高溫區(qū)域溫度先是增加然后下降。因此,在實際的燃燒室設(shè)計中,需要選取適當(dāng)?shù)娜紵夜ぷ鲏毫Α?2)NOx排放隨著燃燒室燃料入口旋流角的增加而減少,原因在于隨著燃料入口旋流角度的增加,回流區(qū)擴(kuò)大,氣流沿軸向的速度衰減快。因此,在實際的燃燒室設(shè)計中,要綜合考慮效率、污染物排放標(biāo)準(zhǔn)等各方面的因素,以確定燃燒室入口燃料旋流角。(3)NOx排放隨著燃燒室二次空氣入口角的增加而減小,原因在于隨著燃燒室二次空氣入口角的增加,二次空氣量在局部迅速增加,導(dǎo)致模型燃燒室內(nèi)最高溫度降低。因此,在實際的燃燒室設(shè)計中,要綜合考慮效率、污染物排放標(biāo)準(zhǔn)