《低排放燃烧室燃烧性能和污染排放预测模型研究-动力机械及工程专业论文..docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《低排放燃烧室燃烧性能和污染排放预测模型研究-动力机械及工程专业论文..docx（93页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、承诺书本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进 行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和 致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研 究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日 期：万方数据万方数据南京航空航夭大学硕士学位论文摘要为了能够快速准确的预测燃气轮机燃烧室燃烧性能以及污染排放特性木文结合CFD模拟 结果，发展了一种能相对准确预测排放
2、，计算虽相对较小的化学反应器网络模型（CRN）方法。首先，本文简单介绍了化学反应器网络模型的发展和国内外主要研究现状，并且介绍了组 成化学反应器网络模型所用到的化学反应器，详细描述了它们的概念、原理、求解方法和使用 特点以及其在理论上的计算依据。其次，本文采用Visual Studio 2010作为开发环境，采用.Nel Framework 4.0和C#为开发语言，设计并编写了污染排放预测程序，简单描述了该程序的框架结 构，并将程序的主要功能和内部类的实现方法进行了简介。接下來对某贫油预混预蒸发（LPP）燃烧室进行了数值模拟，并对模拟结果中流场、温度 场以及一些对NOx排放影响比较大的局部区域
3、进行了详细分析，将该燃烧宅划分为不同的特征 区域，运用不同的反应器构建化学反应器网络模型。运用构建的网络模型采用口编程设计程序 在不同工况下进行模拟计算，将模拟结果和实验结果进行对比，两者吻合得很好。最后，利用 该化学反应器网络模型研究了进口空气温度、主级燃油虽以及值班级燃油虽对燃烧室出口温度 以及出口污染排放特性的影响，模拟获得了较合理的变化趋势。通过对模拟结果的分析，可以看岀化学反应器网络模型对NOx排放进行了合理的预测.证 明了该方法在预测燃烧室出口NOx排放方面是可行的。运用网络模型方法预测NOx排放不仅能 缩短燃烧宅设计周期，还能够有效的减少试验次数，为低污染燃烧宅的初步设计以及优化
4、设计 提供有价值的指导。关键字：贫油预混预蒸发，低污染燃烧室，化学反应器网络模型，污染排放预测.燃烧性能万方数据ABSTRACTTo be able to quickly and accurately assess combustion performance and emission characteristics of gas turbine combustor, this paper develops chemical reactor network model method (CRN) based on CFD simulation results, a low computation
5、al eftort modeling method, which can accurately predict emission.Firstly, it takes a review the development and the main research status of chemical reactor network model. It also introduces chemical reactors which can constitute chemical reactor network model and describes the concepts, principles,
6、 solving methods, use characteristics and calculation basis of chemical reactors in detail. Moreover, the pollution emission prediction program is designed and written with Visual Studio 2010 as the development environment and using .Net Framework 4.0 and C as development language. It describes the
7、frame structure of the program, the main function of the program and the realization method of the inner class.And then, a Lean Premixed Prevaporized (LPP) low emission combustor is studied by using numerical simulation. The flow field and temperature field of the simulated results and some regions
8、where afiect NOX emissions relatively large are detailed analyzed. The space in the combustor is divided into several di ft erent subspaces based on CFD results and different subspaces adopt dificrcnt chemical reactors. The chemical reactor network model is build using these chemical reactors. The c
9、hemical reactor network method is used to simulate combustion processes and calculate emissions using the pollution emission prediction program. Their simulated results are reasonable when they are compared to experimental data. At the last, the influence of inlet air temperature and amount of prima
10、ry fuel and pilot fuel on temperature and emissions arc analyzed. The trends arc reasonable.The analysis of the simulation results show that NOx emission is predicted reasonably using chemical reactor network method. This paper draws the conclusion that chemical reactor network method is feasible in
11、 predicting NOx emissions of gas turbine combustor. The chemical reactor network method can not only shorten the design cycle of gas turbine combustor, but also effectively reduce test times. It can provide useful guidance for the preliminary design and the optimal design of the low emission combust
12、or.Keywords： Lean Premixed Prevaporized (LPP), Low emission combustor, chemical reactor network model, pollution emission prediction, combustion performance目录第一章绪论11研究背景11.2低污染燃烧室2121贫油预混预蒸发（LPP）燃烧室21-2.2贫油直接混合（LDM）燃烧室31.2.3变儿何（VGC）燃烧室41-2.4富燃.猝熄.贫燃（RQL）燃烧室41.3国内外污染排放预测方法概述51.3.1经验模型法51.3.2半经验模型法61.
13、33计算流体力学方法71.3.4网络法71.4研究目的和研究内容81.4.1研究目的81.4.2研究内容9第二章化学反应器模型102.1完全混合反应器（PSR模型102.1.1 概述102.1.2 一般方程112.2柱塞流反应器（PFR）模型132.2.1 概述132.2.2 一般方程132.3部分混合反应器（PaSR）模型142.3.1 概述142.3.2联合概率密度函数152.3.3 一般方程162.4本章小结17第三童污染排放预测平台的程序结构设计183基本信息18iii3.2 CombuslionAnalysis 项目结构19321 FormMain 类193.2.2 FormCRNB
14、uildcr 类203.23 FormCRNBuildcrTools 类21324 FormCRNBuildcrPropcrtics 类 213.2.5 FormCRNBuildcrDoc 类233-2.6图形组件交互相关设计263.3 Chemical 项目结构283.3.1 IdcalGasPhase 类293.3.2 GasKinctics 类293.3.3 Reactor 类303.3.4 ReactorNct 类303.4 CRN网络图形界面定义操作说明313.5本章小结34第四章CRN网络模型建模分析354.1燃烧室结构354.2 LPP燃烧室数值模拟结果分析364.2.1计算工况
15、364.2.2 LPP燃烧宅儿何建模及网格划分374.2.3 CFD数值模拟结果分析384.2.4 DamkBhlcr(Da)数的定义394.3燃烧室NOx的生成机理 404.3.1 NOx的主要生成机理404.3.2影响NOx生成的主要因素 414.4本章小结44第五章LPP燃烧室的模拟455.1运行参数和实验结果455.2燃烧室的初步模拟及其结果分析455.2.1初步网络模型的骏证465.3 CRN网络模型的优化建模分析475.3.1喷嘴出口附近区域的模拟分析475.3.2中间网络结构的模拟分析48iv5.3.3尾部掺混区网络结构的模拟分析495.4 CRN网络模型的优化建模495.4.1
16、 CRN网络模型验证 505.5 CRN网络模型模拟分析515.5.1进口空气温度对污染物NOx的影响515.5.2主级燃油虽对污染物NOx的影响 525.5.3值班级燃油虽对污染物NOx的影响 535.6本章小结53第六童总结与展望556本文工作总结556.2后期工作展望56参考文献57致谢62攻读硕士期间发表的论文63图表清单图1. 1贫油预混预蒸发燃烧方式3图1.2贫油直接混合燃烧方式4图1. 3富燃.猝熄贫油燃燃烧方式5图3.1本程序的项目组成【8图 3. 2 Combustion Analysis 项目结构概图19图3. 3反应器设计工具21图3.4 PSR反应器屈性定义 22图3.
17、 5进口边界条件屈性定义22图3. 6带有组分定义屈性栏的单元屈性定义22图3. 7化学反应机理维护界面24图3. 8图形交互组件26图3. 9 PSR的缺省状态27图3. 10反应机理解鄴器28图3. 11反应器网络29图3. 12程序主界面31图3. 13新建的空CRN模拟器界而32图3. 14通过双击左侧对应的单元构成的基本反应器单元32图3. 15带有进口和出口的PSR反应器网络33图3. 16对燃料入口进行组分定义33图3. 17对空气入口的流虽比例进行定义34图3. 18达到平衡的出口温度的输出34图4. 1 LPP燃烧空结构示意图35图4. 2 TAPS/MLDI燃烧室头部示意图
18、35图4. 3 TAPS/MLDI燃烧室头部侧视图35图4. 4 TAPS/MLDI燃烧室头部前视图36图4. 5 TAPS/MLDI燃烧室头部后视图36图4.6LPP燃烧室几何结构图37图4.7LPP燃烧宅计算网格图38图4.8Z=O截面计算网格图38图4. 9燃烧室中心截面温度分布云图38图4. 10燃烧室中心截面速度流线图39图4. 11燃烧宅中心截面速度欠圮图39图4. 12 Da数与湍流雷诺数关系图40图4. 13燃烧室压力对NOx排放的影响 42图4. 14燃烧宅进口温度对NOx排放的影响 43图4. 15液体燃料混合均匀性对NOx排放的影响 43图4. 16燃烧区停留时间对NOx
19、排放的影响 44图5. 1燃烧室初步分区示意图46图5. 2初步网络模型示意图46图5.3出口温度对比（初步网络模型）46图5.4出口 NOx对比（初步网络模型）46图5. 5燃烧室中心截面NO质址分数分布云图47图5. 6当虽比分布云图48图5. 7燃烧室区域划分49图5. 8化学反应器网络模型结构50图5.9出口温度对比（优化网络模型）50图5. 10出口 NOx对比（优化网络模型）50图5. I】进气温度对反应器内温度的影响51图5. 12进气温度对NOx和出口温度的影响51图5. 13总当鱼比对反应器内温度的影响52图5. 14总当虽比对NOx和出口温度的影响52图5. 15总当虽比对
20、反应器温度的影响53图5. 16总当虽比对NOx和出口温度的彩响53表4. 1计算工况37表5.1燃料和空气的进口参数45表5. 2实验结果45vii注释表A(m2)面积PDF槪率密度函数CRN化学反应器网络模型PFR柱塞流反应器CO一氧化碳PRZ中心回流区UHC未燃碳氢燃料P(Pa)压力CRZ角回流区R回流比例Cp定压比热RQL富油燃烧猝島贫油燃烧Da达姆科勒数SIMPLE求解压力耦合方程的半隐方法El排放指数TAPS双环预混旋流h焙T(K)温度humFact湿度因子U(J)内能j反应器序号V(m3)体积k湍流动能VGC变儿何燃烧宅K*气相物质种类CO摩尔速率LDI燃油直接喷射w分子虽LPP
21、贫油预混预蒸发Y质址分数LDM贫油直接混合p (kg/m3)密度LP贫油预混chirm化学反应时间MIX气体混合器Tflo*特征流动时间MLD1多点燃油直接喷射U轴向速度m(kg/s)质虽流率耗散率PSR全混反应器N反应器总数缩略词缩略词英文全称LPPLean Premixed PrevaporizedLPLean PremixedVGCVariable Geometry CombustorLDMLean Direct MixingLDILean Direct InjectionRQLRich bum-Quench-LeanCRNChemical Reactor NetworkPRZPrima
22、ry Recirculation ZoneCRZComer Recirculation ZonePSRPerfectly Stirred ReactorPaSRClosed Partially Stirred ReactorPFRPlug Flow ReactorMIXNon-Rcactive Gas Mixer第一章绪论1.1研究背景由于我国经济的快速发展，随着人们环保意识的逐渐提高，我国而临的能源问题以及环境 问题日益突出。提高能源效率，控制污染物排放，改善社会环境质址对保持经济可持续发展起 着至关重要的作用。我国“十二五”规划纲要曾明确提出要加大环境保护力度，严格控制二氧 化硫、氮氣化物
23、等污染物的排放。燃气轮机作为重要的能源转化设备，自上肚纪五十年代开始就得到了广泛应用，随着世界 经济和科学技术的发展，其相关技术也得到了快速发展，应用领域不断扩大。由于燃气轮机具 有体积小、重虽轻、启动快以及工作循环简单等优点，在航空方面也得到了广泛的应用，但是 由于E机飞行高度几乎接近平流层，因此航空发动机的NOx排放对臭氧层的破坏力度极大，同 时飞机尾气也成为髙空大气污染物的最主要來源卜叫为此国际民航组织曾4次修改民用航空发 动机污染排放标准，严格控制NOx的排放。燃烧宅作为燃气轮机的重要组成部分。因其长期工作在高温、高压环境下，工作环境极其 恶劣，燃烧室同时也决定了燃气轮机的寿命。与此同
24、时，燃烧室又是主要污染物产生的地方， 因此燃烧宅的设计及英内部的燃烧状况直接影响到燃气轮机的性能和排放。由于人们环保意识 的増强.燃烧空出口污染排放问题得到了越來越多的重视。怎么通过控制污染物的生成，使燃 烧效率以及污染物的排放虽都能达到相对最佳，是如今燃烧室设计工作中必须要而对的一个难 题。航空发动机一般使用航空煤油等清洁燃料，这些燃料的含硫虽和含尘虽都比较低，因此排 气中SO2和烟尘含虽比较低。因此降低NOx的排放虽是发展高性能航空发动机技术的一个重要 目标。由于NOx是在燃料燃烧过程中产生的，因此，当前对污染物控制技术的研究主要是对燃 烧宅的燃烧环节进行优化。为了在提高燃烧效率的同时不增
25、加污染物排放，就必须充分了解燃烧宅内燃烧及污染排放 情况。但由于燃烧流动测试的成木奇，技术难度大，因此采用数值模拟的方法对燃烧宅内燃烧 流动进行研究得到了极大的重视。在燃气轮机燃烧室的数值分析中，一般运用比较成熟的商用 软件Fluent进行分析。但是由于传统的Fluent模拟方法在污染物排放的预测准确性、计算时间 方而存在不足，因此，化学反应器网络模型（CRN）方法应运而生。该方法与传统的Fluent数 值模拟方法相比有以下儿个优点：1）在计算时间上较Fluent方法小几个数虽级：2） CRN网络 模型方法不受计算时间及软件的限制，可运用详细的化学反应机理进行求解：3）由于CRN方 法在模拟过
26、程中可以使用详细的化学反应机理，在预测污染物排放方面较Fluent数值模拟方法 更准确。1.2低污染燃烧室目前，燃气轮机燃烧室可分为常规燃烧室和低污染燃烧室。常规燃烧宅控制污染物排放的 困难主要由于各种污染物受工作条件的影响及它们的形成机理各不相同，因此，控制污染物排 放的措施难以折衷。比如，传统的燃烧室一般采用向燃烧室内喷水的方法來降低燃烧区温度， 从而达到降低NOx的目的。这种方法虽然能够降低NOx排放址.但可能会导致CO和UHC151 的排放虽增加。其实降低NOx排放的核心措施就是保证燃烧区的当虽比以及局部当虽比在任何 工况条件下都是均匀的。同时，在燃料能够稳定燃烧的范围内，保证有两个低
27、NOx排放区间， 一个为贫油燃烧区，一个为富油燃烧区。依照上述思路.目前正在研究中能控制NOx排放虽的新型低污染燃烧室主要有贫油预混 预蒸发(LPP)燃烧劉a或称贫油预混(LP)燃烧室、变儿何(VGC)燃烧室、贫油直接混合 (LDM)燃烧宅国以及富油燃烧猝熄贫油(RQL)燃烧宅叫1.2.1贫油预混预蒸发(LPP)燃烧室降低NOx排放的终极手段是需要一个预先混合均匀的、贫燃料燃烧的以及对液体燃料能够 预先完全蒸发的燃烧方式，而这便是LPP燃烧宅燃烧方式。燃烧区的当址比越小越能够降低 NOx的排放.当然.其下限是贫油想火极限，燃烧区的当虽比不能低于该极限。从过程上來看，LPP燃烧方式大致可以分为三
28、个阶段。第一阶段是燃料喷射阶段，该阶段 的功能是使喷射出来的燃料要具倚较小的雾化颗粒度以及均匀的空间分布。一般來说，喷射点 越多，空间分布就越均匀。第二阶段是便喷射出來的燃料与预混合预蒸发段的空气进行混合， 在高功率状态下，由于燃气出口温度比燃油的沸点髙得多，因此燃料可以实现边混合边蒸发。 第三阶段为燃烧阶段，预混预懑发的燃料、空气混合物进入燃烧区进行燃烧，燃烧后的燃气流 入涡轮。其中第一阶段是LPP燃烧室的关键阶段。LPP低污染燃烧方法示意图如图1.1所示：图1.1贫油预混预蒸发燃烧方式国从上述对LPP燃烧宅工作过程的分析可以看岀，LPP低污染燃烧方式有以下三个优点：1） 能够全面兼顾NOx
29、、CO和UHC的排放：2）能够消除碳的形成，尤其对于燃料为气体燃料的 情况：3）由于该燃烧宅内各个区域的火焰温度均低于1900K,所以NOx排放虽不会随滞留时 间的增长而增参。然而LPP燃烧方式也同时存在一些不足：由于在燃烧区上游的燃料蒸发以及 油气混合都需要比较长的时间，所以随着进口温度的升高很有可能发生口动着火和回火，在这 种恶劣的工作条件下就要借助某种点火装置來协助点火，达到稳定燃烧的目的：同时该种LPP 燃烧室容易产生共振。122贫油直接混合（LDM）燃烧室贫油直接混合低污染燃烧室的燃烧模式基木有两种:一种是燃油直接喷入燃烧区进行燃烧, 另一种是在一定程度上燃料与空气预先混合后喷入燃烧
30、区域进行燃烧。燃料在燃烧过程中基木 处于贫油状态。该种燃烧室的主要特点是火焰筒壁面上没有主燃孔，空气全部从头部进入燃烧 区。尽可能保证燃料能够在贫油状态下的低污染燃烧区域里燃烧是LDM燃烧室降低污染物排 放的基本匪理。若燃料能够在这个区间内燃烧，NOx的排放就将大大降低：另一个彩响污染物 排放的重要因素是油气混合奉，从油气混合率对NOx排放影响的研究表明（來看，当燃烧区当 虽比小于0.7时，混合率将低于0.25.这将会大大降低NOxff放。对于目前使用的常规燃烧空 而言，若当虽比为0.7,混合率将大于0.3。因此常规燃烧方案不能简单的通过增加头部空气 虽来达到增加混合率的目的。油气混合率与两方
31、面因素有关。一方而，若由于空气的进入，导致火焰筒内的压力降増加， 这样便能增加燃油和空气的混合率，然而实际上火焰筒内的压力降一般不会増加，主要由于它 影响了整台发动机的总循环效率：另外一方面，可以改善燃油喷射条件。可以采用燃油多点喷 射，这样可以使燃油和空气混合的更加均匀。LDM低污染燃烧方式示意图如图1.2所示:图1-2贫油直接混合燃烧方式123变几何(VGC)燃烧室可变几何燃烧宅是低污染燃烧室中的一种。该种燃烧室降低NOx的基木原理为：通过采用 可调几何形状的燃烧宅部件，來维持整个燃烧宅工况内燃烧区合适的流呈分配，从而控制燃烧 区的温度.以达到低污染燃烧的目的。该种燃烧空的概念是在20世纪
32、70年代旧提出的。变儿何燃烧宅的调整方案主要有三种：zkq 20160222一种方法是通过采用可调的旋流器，通过调整头部的空气虽，來保证燃烧区的当虽比在低污染 燃烧的区间内小】：第二种方法是调整掺混孔的流通面枳，同样可以达到上述目的：第三种方 法是采用流体控制的方法使旋流器的有效面积发生改变，没有运动部件，也能达到上述目的， 只是这种方法处于概念探索阶段，距实用还有相当一段距离卩先变儿何燃烧方式有以下几方面的优点：通过控制主燃烧区的空气虽.可使燃气比的调廿范 围得以扩大，这样可以降低在不同工况下的污染物排放虽：能够全面兼顾如点火、稳定燃烧等 各项燃烧性能的要求。燃烧宅若在低工况下运行，便可减少
33、供气虽，这样便避免了要按垠大点 火高度点火所需要的过大的参考截面积，因此，发动机的重呈和尺寸得到了减小。可变几何燃 烧方式一般和LPP燃烧技术结合使用，使得LPP燃烧方式更有效，然而由于燃烧室的工作环境 温度一般都很高，若增加运动部件，可靠性令人担忧：另一方面，几何面积的改变引起燃烧室 内压力的变化，这样给燃烧组织带來了很多困难。124富燃-猝熄-贫燃(RQL)燃烧室RQL燃烧宅主要分为三个区域：富油燃烧级、急冷级、贫油燃烧级。其中富油燃烧级的当 址比一般在L21.6范围内。在富油燃烧级，可以采用降低火焰温度以及减少氧气址的方法來 降低CO和NOx的排放虽。在急冷级，由于大址空气的进入，完成富
34、油燃烧级向贫油燃烧级的 低排放燃烧宅燃烧性能和污染排放预测模型研究瞬间过度。在贫油燃烧级，由于大虽急冷级的掺混空气的进入，该区的当呈比已经很低，将不 会产生大虽的NOx,其主要的功能是将在大功率状态下富油燃烧区产生的UHC、CO以及碳烟 完全氧化，以达到燃烧室高燃烧效率和排气不可见冒烟的目的。在小功率状态下，完成UHC 和CO的最终氧化，以使燃烧效率保持在很高的水平。贫油燃烧区必须有一定的长度，否则UHC 和CO不能完全被氧化，从而降低燃烧效率。RQL燃烧室降低NOx的基木原理为：一方而由于在富油工况下，燃烧温度较低，而且在 燃烧的过程中缺氣，在这种情况下大气中的氮生成NO的主要成分减少，抑制
35、了热力NO的生 成：另一方面，在20世纪70年代后期，由于能源危机导致采用放宽筒分的燃油，燃料中的含 氮虽大大增加，而在富油情况下的燃烧能够有效的抑制燃料NO的生成，因此采用一个富油初 始燃烧区能够大大降低NOx的生成。RQL燃烧方式示意图如图1.3所示：图13富燃猝熄贫油燃燃烧方式国1.3国内外污染排放预测方法概述为了发展高效率，低污染燃气轮机燃烧宅，人们积极探索各种降低NOx的有效措施。总结 下來，国内外对燃气轮机燃烧室污染排放的预测方法分为四大类：经验模型法、半经验模型法、 计算流体力学法和网络法。1.3.1经验模型法经验模型是四种类型中最简单以及计算虽最小的一种模型，该模型作为预测燃烧
36、宅污染排 放的模型，是通过大虽的实验，总结出发动机燃烧宅的一些具体参数与污染排放的关系。公式 1-1. 1.2, 1.3是三个经典的预测NOx的经验模型卩忙其中公式1.3为预测LPP燃烧宅NOx排放的 经典经验模型。EINO =。0042(人 丫化-1471 片(1.1)x 1439丿I 345 丿 其中是燃烧室进口总压，7；为燃烧室进口温度.7；为出口温度。EINO = 0.068P e暫，：59.67 申(0.00271 Ahum Fact) ( 1.2) 式中人、&、7；代表含义同上，humFact是一个湿度因子，它的值取决于高度，在海平而， 一般认为 humFact = 0.0063W
37、EINOx = 0.0000758(6.894 迅严严器互(1-3)式中人、人、7；代表含义同上。上述三个经验关系中式1.1,式1.2只适合单环形燃烧室，而式1.3适合贫油预混预蒸发燃烧 室。经验模型的优点是模型构建简单，计算虽较小。但经验模型的使用范围有很大的局限性， 每一类燃烧空甚至每一个特定的燃烧宅都要有独立的经验模型，而且这些模型另外一个缺点便 是不可以分析燃烧空结构变化对污染排放的影响。1.3.2半经验模型法zkq 20160222(1.4)半经验模型由经验关系，循环参数，停留时间以及其他一些参数如主燃区温度等共同组成。 半经验模型对污染物NOx和CO都可以很好的预测，其中式1.4是
38、一个经典的预测CO的半经验模 型。EICO = 35-P SJCO式中：。表示根据反应速率常数计算得到的特征反应时间，丫$厶表示基于特定的长度，当燃 烧室总当呈比下降到低于某一个固定值时，引起温度低于某临界值，从而妨碍CO转化为CO?, 这个过程所用的时间(1.5)式1.5是一个经典的预测NOx的半经验模型。九M竺051P丿EINOx =AV P,2exp(0.0097 )其中式中/是一个常数，乙是燃烧室主燃烧区体积.P是燃烧室进口总压，忌是燃烧室主18燃烧区温度，衍彳是主燃烧区空气质虽流率，AP是燃烧宅压降。半经验模型的缺点是在预测污染物排放时，污染物的排放虽与进口参数和燃烧区的一些参 #万
39、方数据低排放燃烧宅燃烧性能和污染排放预测模型研究数关系密切，但是这些参数往往很难获得，而且模拟不同污染物排放虽，半经验模型关系式各 不相同，这有时会导致预测NOx和CO排放虽出现前后矛盾的情况。半经验模型同样不能用 来分析由于燃烧宅结构变化对污染排放的影响。133计算流体力学方法要发展低污染燃烧室，就要充分了解燃烧宅内的燃烧情况，但是由于燃烧流动测试的成本 高，技术难度大，因此应用数值榄拟方法对燃烧宅进行燃烧模拟研究得到了广泛的应用。在燃 气轮机燃烧空的数值分析中，一般运用比较成熟的商用软件对燃烧宅的燃烧特性进行数值模拟 (亠珂，从而预测污染物排放虽。目前Fluent是燃烧宅设计过程中的重要工
40、具之一。用Fluent进行数值模拟的优点是它能够模拟非稳态三维复杂燃烧，可以很好的反映燃烧过 程的变化。它的不足在于：在模拟计算过程中，需要构建流动模型，结合能塑方程、动址方程、 连续性方程、物理边界条件以及化学动力学进行求解，涉及计算过程复杂，运算虽大，耗时长， 因此计算效率不高。这些商用软件由于受到计算虽的限制，通常采用的是简化的化学反应机理 进行求解.对NOx和CO等污染物不能进行准确预测。13.4网络法为弥补CFD在预测污染物准确性热及计異艸网也的不足，国内外近些年來逐渐发展了 CRN 模型來预测污染物排放。早在上个世纪，国外就有一些学者提出运用全混反应器模型PSR和柱 塞流反应器模型
41、PFR模拟火焰燃烧过程这一概念L随着国内外学者对化学反应模块的理论和数学补充，大虽商用化学反应模块软件应运而生， 例如：chcmkin、flamcmaslcr、modi ink x cantcra等。这些软件包功能强大，都能够处理大型化 学反应机理，而且都具有网络建模的能力。在国外，1991年，Sturgess运用区域建模的思想研究了贫预混燃烧宅内的吹熄情况】。1995 年，Steele(33J构建了 HPJSR反应器，应用两个PSR串联的简单网络模型对污染物排放进行预 测，预测结果与实验数据吻合得很好。1995年，Nicol等珂构建的化学反应器模型是由一个PSR 和一系列PFR纽成的，运用该
42、模型，Nicol等人研究了在稀相预混甲烷和空气燃烧情况下，不 同的NOx生成机理对NOx排放的影响。】996年，Sturgcss和Shouse运用CFD-CRN方法对燃 烧室内污染排放进行了研究，通过CFD模拟结果建立CRN模型，最后验证了这种方法的计算 时何短，但是同时能够较好的满足流场以及化学反应计算的要求卩1998年，Bengtsson用一个PSR和一个PFR的简单网络模型对燃气轮机燃烧室内NOx排 放进行了模拟，计算结果与实验结果基本一致卩 1998年，Bhargava等人閃利用PSR和 PFR构建了 CRN模型，并研究了当虽比以及压力对NOx和CO排放特性的影响。20()()年， R
43、ular1列呦通过一个PSR模型，运用GRI Meeh3.0化学动力学反应机理，成功预测了高压射流7 反应器下NOx和CO的排放虽。在贫油预混燃烧的情况下，2002年，Falcilclli ct al.等人的运用 通用算法构建了一个CRN模型。通过通用的算法把流动区域分成两个部分，并介绍了影响污 染物生成的因素：当虽比和温度。Mohamed和Rizk等人代宀】利用构建的CRN网络模型研究了 当虽比、停留时间以及温度对CO和NOx排放特性的影响，模拟结果与试验数据符合较好。2（X）6年，Novossclov1461等人对燃烧天然气的某燃气轮机燃烧宅出口污染物的形成机理进行 了详细分析，通过对CF
44、D模拟结果中流场和温度场的详细分析，构建了复杂的CRN网络模型， 详细介绍了 CRN网络模型的构建过程，并对不同特征区域的模拟结果进行了详细分析，研究 结果再次显示CRN网络模型在运用详细化学反应机理时，计算结果与实验结果的高度吻合性。 2007年，Mancini ct al切用同样的步骤构建了化学反应堆模型RNM,这种方法预测NOx的生成 达到了很高的精度，与测虽的结果相比，误差在5%以内。在国内，金戈伺利用全混反应器PSR构建了 CRN网络模型，运用该模型模拟了低污染燃 烧室的工作过程，并计算了燃烧室在试验状态下的NOx排放虽，并将模拟结果与实验数据进行 了对比，两者吻合得很好。胡长松（呦
45、提出了双入口的PSR-PSR网络模型，并且详细介绍了网络 模型建立的原理以及条件，并将模拟结果与实验数据进行了对比。研究表明：在低DA数下的 稀相预混燃烧条件下，该模型对NOx的生成以及燃烧温度进行模拟.并取得较好的预测结果。 杨小龙采用CRN网络模型对某燃气轮机燃烧室的工作过程进行了模拟.并且研究了燃料加 湿虽对NOx排放虽的影响，最后将模掀果2啖&僚2进行了对比，两者吻合得很好,证明运 用该模型预测燃烧宅NOx排放是可靠的。刘富强等用采用基于详细化学反应机理的CRN网络 模型对低排放燃烧宅的NOx排放特性进行了分析，同时研究了空气进口温度、当虽比和两级供 油比例对燃烧空出口 NOx排放的影
46、响，取得了较为合理的变化趋势。1.4研究目的和研究内容1.4.1研究目的综上所述，随着国内外学者对化学反应模块的理论和数学补充，大虽的商用化学反应模块 软件应运而生，网络法以运用详细的化学反应机理、计算时间短以及计算准确等优点得到了越 来越多的重视。近些年來，国内外很参学者在采用CRN网络模型预测污染物方面做了很多的 研究。本文的研究目的是发展一种结合CFD计算结果、计算址相对较小并且能够快速准确的预测 贫油预混预蒸发（LPP）燃烧宅出口 NOx排放的化学反应器网络模型方法，利用口编污染排放 预测程序进行模拟讼算，并将模拟结果和实验结果进行对比.进而验证模型的合理性和可靠性， 并不断探索新的网络榄型。为燃烧宅的初步设计以及优化设计提供有价值的指导。万方数据南京航空航夭大学硕士学位论文1.4.2研究内容针对上述研究目的，木文研究具体内容如下：1）采用C#语言开发LPP燃烧空污染排放预测程序，该程序要能实现化学反应机理文件的解析、 化学热力学平衡计算、化学反应动力学计算等，最后达到能够完成CRN网络模型的组建以 及能够进行计算模拟。2）对某LPP燃烧宅进行Fluent数值模拟，并对模拟结果中流场、温度场以及一些对NOx排放 影响比较大的局部区域进行详细的分析.将该燃烧室划分为不同的特