R0110重型燃气轮机燃烧室三维数值模拟
某重型燃气轮机燃烧室燃烧流动的数值模拟
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某重 型 燃 气轮 机 燃烧 室燃烧 流 动 的数 值 模 拟
王成 军 张 宝诚 （ 阳航 空 工业学 院 ， 阳 １０ ３ ） 沈 沈 １０ ４
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这样能更好地模拟强旋 流动过程 。 柱坐标下三维流动 和组合双燃料喷嘴组成 。 火焰筒 主要包括头部 中心扰流器 、 ８ 应力模型 ， 沿 — 方程如下 ： 个喷嘴头有 ８ 个扰流器 、 火焰简简体和燃气导管。 了保证耐久 的 Ｎ Ｓ 为
中图分 类 号 ： Ｈ１ ，Ｐ ９ 文献 标识 码 ： Ｔ ２Ｔ ３ Ａ
１ 引言
燃气轮机 燃烧 室中的工作过程和流动 、 传热 、 排放 分析是非
进行建模 。如图 １ 所示为模拟燃烧 室的形状 。
常复杂 的问题。 燃烧过程受到流动 、 传热传质和化学 反应 的综合 控制 。 它包括复杂 的湍流流场 、 燃料喷射 、 掺混 、 燃烧反应 瞬变 引 起温度场瞬变 ，伴 随工作 状态改变而引起 的主要排放物 （ ｏ 、 Ｎ ｘ Ｃ Ｃ Ｈｙ 的生 成 ， 同气 膜冷 却下 的火焰筒 壁温分布 、 Ｏ、ｘ ） 不 变工况
燃气轮机燃烧室三维冷态流场数值模拟
燃气轮机燃烧室三维冷态流场数值模拟
王礼进;郑洪涛
【期刊名称】《燃气轮机技术》
【年(卷),期】2007(020)002
【摘要】本文针对某燃气轮机环管型燃烧室三维冷态流场的数值模拟问题进行了研究.根据该型燃气轮机燃烧室的设计图纸建立真实的三维计算几何模型;在计算中采用SIMPLE算法,k-ε双方程湍流模型,对其进行了冷态空气流场的数值模拟;通过对各处流场分布的分析,特别是对主要区域各关键截面的流动分析,可以判断出燃烧室设计的合理性,为进一步优化燃烧室的结构设计、改善流场结构,并为开展燃烧室热态流场的数值模拟奠定了基础.
【总页数】6页(P27-32)
【作者】王礼进;郑洪涛
【作者单位】上海交通大学机械与动力工程学院,上海,200230;哈尔滨工程大学动力与能源工程学院,哈尔滨,150001
【正文语种】中文
【中图分类】TK473.2
【相关文献】
1.船用燃气轮机燃烧室三维冷态湍流数值模拟 [J], 刘顺隆;孟岚;刘子亘
2.微型燃气轮机圆筒形燃烧室内三维冷态流动数值模拟 [J], 刘绍华;杨晨
3.燃气轮机旋流燃烧室冷态流场数值模拟研究 [J], 张志伟;王高升
4.燃气轮机旋流燃烧室冷态流场数值模拟研究 [J], 张志伟;王高升
5.双侧进气突扩燃烧室冷态三维流场数值模拟 [J], 廖昌明;林文漪;周力行
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船用燃气轮机燃烧室三维冷态湍流数值模拟
烧 室内的流场具有高温 、 高压 、 高速度 梯度 的特 点 ， 于试 验测 量 的要 求 很 高 ， 此 要 得 到 准 对 因
要： 对某种船用工业燃气轮机燃 烧室中的三 维｛ 态 流场进行 了数值模 拟 此 燃烧 室具有 突台结构 ． ＝ 孥 并且 燃
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结果 和实验数据进行 了比较 ， 结果符台较好 另 外 ． 分析 丁燃烧 室内的旋流 、 回流 等流动 特性 ， 于燃烧 室 的设 对 ｉ 与优 化工作起到 了辅助作用 对燃烧 室三维冷态流场数值模 拟的成 功计算 对于今 后对燃烧 室热态 问题进 行 ｑ －
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第２ ３卷第 ２ 期 ２ ０ 年 ４月 ０２
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目前船用燃 气轮机 燃烧 室 的设计在 很大 程度 ｈ 采用经 验设 计 的方 法 ， 是 它是 以大 量 的实 践 经 验 、 究性试验结 果 和统计 资料 为基础 的 ． 试验 研 做 既要 花 费大量时 间 ． 而且 价格 昂贵 燃 气 轮机 燃
人 口速度具有轴 向和切 向两个分量 ， 在人 口截 面 处轴 向速度 分 量 均 匀分 布 、 向速 度 分量 沿 着 半 切 径 方 向线 性分 布
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燃气轮机燃烧室的数值模拟与优化
燃气轮机燃烧室的数值模拟与优化燃气轮机是一种高效的能源转换设备，它通过将燃料燃烧产生的热能转化为机械能，实现动力的传递。
燃气轮机的燃烧室是燃烧过程发生的关键区域，其设计的合理与否对燃气轮机的性能具有重要影响。
为了提高燃气轮机的效率和可靠性，数值模拟与优化成为目前燃气轮机燃烧室设计的重要手段。
燃气轮机燃烧室的数值模拟是利用计算机仿真的方法，通过数学模型和计算流体力学方法等对燃气轮机燃烧室内流场、燃烧过程、温度分布等进行模拟与计算，以获取燃烧室内的详细信息。
通过数值模拟可以得到燃烧室的温度场、压力场、速度场等物理量分布，判断燃烧室内的燃烧稳定性和温度分布的均匀性，并提供燃烧室设计的参考依据。
燃烧室的优化是指通过对数值模拟结果进行分析，结合经验和实验数据，改进现有燃烧室的设计，提高其性能和环保指标。
燃气轮机燃烧室的优化主要包括以下几个方面。
首先，燃烧室的几何形状对燃烧效果有重要影响。
通过数值模拟可以得到燃烧室内的速度场、温度场等分布，进而分析燃烧室内流动的特点。
通过对几何形状的优化，可以改善燃烧室内的流动状态，提高燃料的混合程度，使燃烧更加充分，提高热效率。
其次，燃烧室的燃烧过程对机组的性能和排放有很大影响。
数值模拟可以模拟燃烧室的燃烧过程，包括燃料的注入、燃烧过程中的火焰传播、燃料的完全燃烧等。
通过对燃烧过程的模拟，可以分析燃烧室内的燃烧稳定性，检测火焰的传播速度和燃料的燃烧程度，并优化燃烧室的燃烧参数，提高燃烧效率和降低排放。
最后，燃烧室的冷却方式对机组的可靠性有重要影响。
数值模拟可以模拟燃烧室的温度分布，包括壁面温度和冷却气体的温度。
通过对温度分布的模拟，可以确定燃烧室的冷却方式和冷却气体的供应位置，优化冷却方案，避免燃烧室的过热和烧毁，提高机组的可靠性。
总之，燃气轮机燃烧室的数值模拟与优化是提高燃气轮机性能和可靠性的重要手段。
通过数值模拟可以获取燃烧室内的详细信息，进而优化燃烧室的几何形状、燃烧过程和冷却方式，提高燃气轮机的效率和可靠性。
R0110重型燃气轮机燃烧室三维数值模拟
航空发动机1引言燃气轮机燃烧室的传统设计方法主要是依靠经过分析、总结的大量试验数据后，得到的经验公式，而由此设计出的方案还要再通过反复试验来验证、完善及筛选。
因此，传统燃烧室设计需要耗费大量时间、人力、物力和财力[1]。
近来，计算流体力学和计算燃烧学的迅速发展以及计算机商业软件的广泛应用，使得以计算机模拟、诊断技术研究为主的新型设计方法逐步趋向成熟，虽然目前还不能替代传统的设计方法，但可作为辅助设计手段，以缩短燃烧室设计周期，减少设计费用。
本文在已有燃烧室试验结果的基础上，使用Fluent 软件，对R0110重型燃气轮机逆流环管型燃烧室单个火焰筒内部的流场进行了全尺寸的三维数值模拟计算，并与试验结果进行了比较分齐兵（1981），男，主要从事燃气轮机燃烧室设计工作。
收稿日期：2008-05-13R0110重型燃气轮机燃烧室三维数值模拟齐兵，金戈，顾铭企（沈阳发动机设计研究所，沈阳110015）摘要:采用SIM PL E 算法，应用带有旋流修正的k-ε双方程湍流模型及有限速率/涡耗散化学反应模型，对R 0110重型燃气轮机逆流环管型燃烧室单个火焰筒进行了三维数值模拟计算。
将计算出的燃烧室出口温度场的分布、品质及火焰筒壁温与试验结果进行了对比分析。
燃烧室进口流量、温度、压力等气动参数均与试验时保持一致，火焰筒各部分空气流量也均按火焰筒空气流量分配试验结果给定。
计算和对比分析的结果表明，计算得到的燃烧室出口温度场的分布、品质及火焰筒壁温分布与试验结果比较接近。
关键词：燃烧室；数值模拟；重型燃气轮机；温度场；品质；壁温3D Numerical Simulation of R0110Heavy Duty Gas Turbine CombustorQI Bing,JIN Ge,GU Ming-qi(Shenyang Aeroengine Research Institute,Shenyang 110015,China)Abstract:3D numerical simulation of the single liner was performed for the R0110heavy duty gas turbine reverse-flow cannular combustor using SIMPLE algorithm based on k-εtwo-equation turbulent model with turbulent corrected and finite-rate/eddy dissipation chemistry reaction model.The comparative analyses between the calculation and experiment results with the distribution and quality of the combustor exist temperature field and the linerwall temperature were conducted.The aerodynamic parameters of the combustor inlet flow,temperature and pressure etc.were consistent with the test values.The air flow distributions of the liner were determined according to the experimental results.The results of the calculation and comparative analysis show that calculation results of the distribution and quality of the combustor exist temperature field and the distribution of liner wall temperature approach to the experimental results.Key words:combustor;numerical simulation;heavy duty gas turbine;temperature field;quality;wall temperature28/292009年第35卷第4期Vol.35No.4Aug.2009航空发动机析，主要目的是评估计算结果与试验结果的一致性，同时也为今后同类型燃烧室计算积累经验。
R0110重型燃气轮机分级燃烧室NOx排放试验研究
ＢＡ Ｏ Ｗ ｅ ｎ—ｆ ｅ ｉ ，ＬＩ Ｍ ｉ ｎｇ ，Ｍ Ｏ Ｕ Ｙｉ ｎｇ ，Ｗ ＡＮ Ｇ Ｗ ｅ ｉ —ｌ ｏ ｎｇ
（ Ａ ＶＩ Ｃ Ｓ ｈ ｅ ｎ ｙ ａ ｎ ｇ Ｌ ｉ ｍｎ ｉ ｇ Ａ ｅ ｒ ｏ — ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ （ Ｇ ｒ ｏ ｕ ｐ ） Ｃｏ ． Ｌ ｔ ｄ ． ， Ｓ ｈ ｅ ｎ ｙ ａ ｎ ｇ １ １ ０ ０ １ ５ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
Ｄ ｒ ｙ Ｌ ｏ ｗ Ｎ Ｏ ｘ （ Ｄ Ｌ Ｎ ） ｐ ｉ ｒ ｎ ｃ ｉ ｐ ｌ ｅ ． Ｔ ｈ ｅ ｆ ｕ ｅ ｌ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｇ ａ ｓ ｔ ｕ ｒ ｂ ｉ ｎ ｅ ｗ ａ ｓ ｓ ｔ ａ ｇ ｅ ｄ ｒ ａ ｄ ｉ ａ ｌ ｌ ｙ ． Ｔ ｗ ｏ ｋ ｉ ｎ ｄ ｓ ｏ ｆ ｓ ｔ ａ ｇ ｅ ｄ ｃ ｏ ｍ ｂ ｕ ｓ ｔ ｉ ｏ ｎ ｍ ｏ ｄ ｅ ｗ ｅ ｒ ｅ ｉ ｎ ｃ ｌ ｕ ｄ ｅ ｄ ｉ ｎ
第３ ９卷 第 ６期
２ ０ １ ３ 年 １ ２月
航 空 发 动 机
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Ｖ０ Ｉ ． ３ ９ Ｎｏ ． ６ Ｄｅ ｅ ． ２ ０ １ ３
ＲＯ ｌ ｌ Ｏ重型燃气 轮机分 级燃烧 室 ＮＯｘ排放试验研究
包文 飞 ， 李 明， 牟 影， 王巍龙
Ｎ ０ 排放 问题 而设计 的。２种燃 烧模 式试 验研 究结果表 明： 第 Ⅱ模式较第 １ 模 式在污染物
排放方 面有 显著 降低 ， 但 ２种模 式均未 满足设 计要求。 通过对试验结果做简要的烧 区的燃料分 配比例 、 改进燃烧 室结构 等措施和建议 ， 以进
ｃ ｏ ｍｂ ｕ ｓ ｔ ｏ ｒ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ． ｔ ｈ ｅ ｍｏ ｄ ｅ １ ｗａ ｓ ｔ ｈ ｅ ｒ ｏ ｕ ｔ ｉ ｎ ｅ ｍｏ ｄ ｅ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｍｏ ｄ ｅ Ⅱ ｗａ ｓ ｍａ ｉ ｎ ｌ ｙ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｅ ｄ ｆ ｏ ｒ ｒ ｅ ｓ ｏ ｌ ｖ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ＮＯｘ ｅ ｍｉ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎ ． Ｔ ｅ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｏｒ ｆ ｔ ｗｏ ｋ ｉ ｎ ｄ ｓ ｏ ｆ ｃ ｏ ｍｂ ｕ ｓ ｔ ｉ ｏ ｎ ｍｏ ｄ ｅ ｓ ｈ ｏ ｗ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｍｏ ｄ ｅ ｌ １ １ ｗａ ｓ ｓ ｉ ｇ ｎ ｉ ｉ ｆ ｃ ａ ｎ ｔ ｌ ｙ ｒ ｅ ｄ ｕ ｃ ｅ ｄ ｉ ｎ ｐ ｏ ｌ ｌ ｕ ｔ ａ ｎ ｔ ｅ ｍｉ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎ ｓ ｔ ｈ ａ ｎ ｔ ｈ ｅ ｍｏ ｄ ｅ ， ｂ ｕ ｔ ｂ ｏ ｔ ｈ ｍｏ ｄ ｅ ｓ ｄ ｉ ｄ
某重型燃气轮机环形燃烧室的数值模拟
某重型燃气轮机环形燃烧室的数值模拟刘富强;张栋芳;崔耀欣;崔玉峰;徐纲;朱俊强【摘要】完成了环形燃烧室从扩压器、旋流器到火焰简完整真实几何结构的建模,并进行三维数值模拟.数值计算采用有限速率/涡团耗散湍流燃烧模型、Realizable k-ε湍流模型、SIMPLE压力速度耦合算法以及二阶精度迎风差值格式.分析了不同负荷对流星分配、出口温度、燃烧效率、压力损失以及污染物排放的影响.在对比现场实测结果后发现,计算结果与实际燃烧室燃烧特征较为吻合.【期刊名称】《燃气轮机技术》【年(卷),期】2011(024)001【总页数】6页(P20-25)【关键词】燃气轮机;环形燃烧室;数值模拟;燃烧特性【作者】刘富强;张栋芳;崔耀欣;崔玉峰;徐纲;朱俊强【作者单位】中国科学院工程热物理研究所,北京,100190;中国科学院研究生院,北京,100190;上海电气电站设备有限公司汽轮机厂,上海,200240;上海电气电站设备有限公司汽轮机厂,上海,200240;中国科学院工程热物理研究所,北京,100190;中国科学院工程热物理研究所,北京,100190;中国科学院工程热物理研究所,北京,100190【正文语种】中文【中图分类】TK472燃烧室是燃气轮机的核心部件之一。
其工作环境具有热负荷大、高温高速、高过量空气系数及流场复杂等特点［1］，其出口参数特征直接影响到涡轮的工作性能和寿命，不断改进燃烧室的设计，优化其性能参数是十分必要的。
但由于燃烧室内部流动、物理过程和化学反应过程非常复杂，理论分析和试验测量都有很大的局限性。
随着计算机性能的提高以及数值模拟方法的不断完善和改进，数值模拟方法逐渐得到认可，并成为燃烧室设计的重要工具［2-5］。
国际燃气轮机公司比以往更加重视燃烧室的数值模拟，比如GE提出的 ACC(Advanced Combustion Code)计划［2］和 Honeywell的 ACT(Advanced Combustion Tool)［3］计划，都采用了参数化建模方法［4-5］，在一定程度上实现了几何建模、网格生成和指定边界条件的自动化，大大缩短了燃烧室数值求解周期。
燃气轮机燃烧室模化准则的数值模拟的分析研究
摘要摘要根据燃气轮机燃烧室的发展趋势，相似理论与燃气轮机燃烧室工作过程结合的是研究燃气轮机燃烧室模化理论的重要手段，提炼出基于正常实验条件下的近似模化准则，为燃气轮机燃烧室实验和设计提供基础性研究依据。
本文研究的主要工作为：采用数值模拟方法，对燃气轮机燃烧室模化准则的适用范围以及压力指数选取方面进行一些探讨。
首先，总结了前人从化学反应动力学和流体力学中推导出一些关于燃烧效率的模化理论，以及在实践经验中结合这些理论总结出的燃烧室实验方面的近似模化准则。
接着，介绍了数值计算的软硬件平台，主要包括网格生成技术和计算燃烧效率公式的主程序。
采用数值模拟方法，研究了在高压和低压下燃烧室内部流场和燃烧温度的变化，验证了其模化准则的适用范围。
最后，采用数值模拟方法，分别研究了扩散和预混两种不同类型火焰对燃气轮机燃烧室效率模化中压力指数选取的影响，以及对某燃烧室进行了数值模拟，分析了不同的主燃区过量空气系数和进口温度对燃烧效率的影响。
该项工作为进一步开展燃气轮机燃烧室模化方面的的研究提供了一些理论分析和数值模拟方面的依据，也对在实际的生产实践中的燃烧室设计及模化实验有一定的参考意义。
关键词：燃气轮机燃烧室；模化准则；燃烧效率：压力指数；数值模拟ＡｂｓｔｒａｃｔＡｂｓｔｒａｃｔＴＩＡＮＸｕｅｑｉｎｇ（ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＴｈｅｒｍｏｐｈｙｓｉｃｓ）ＤｉｒｅｃｔｅｄｂｙＨＵＡＮＧＷｅｉｇｕａｎｇＢａｓｅｄｏｎｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｔｅｎｄｅｎｃｙｏｆｇａｓｔｕｒｂｉｎｅｃｏｍｂｕｓｔｏｒ，ｃｏｍｂｉｎｉｎｇｔｈｅｓｉｍｉｌａｒｉｔｙｔｈｅｏｒｙｗｉｔｈｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆｇａｓｔｕｒｂｉｎｅｃｏｍｂｕｓｔｏｒｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｍｏｓｔｉｍｐｏｒｔａｎｔｍｅａｎｓｉｎｔｈｅｆｉｅｌｄｏｆｍｏｄｅｌｉｎｇｃｒｉｔｅｒｉｏｎｏｆｔｈｅｇａｓｔｕｒｂｉｎｅｃｏｍｂｕｓｔｏｒ，ａｃｈｉｅｖｉｎｇｔｈｅｓｉｍｉｌａｒｉｔｙｃｒｉｔｅｒｉｏｎｓｏｎｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅａｉｍｉｓｔｏｏｆｆｅｒｔｈｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｔｈｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｏｆｔｈｅｇａｓｔｕｒｂｉｎｅｃｏｍｂｕｓｔｏｒ．Ｔｈｅｗｏｒｋｄｅｓｃｒｉｂｅｄｉｎｔｈｉｓｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎｉｓｐｒｏｂｉｎｇｔｈｅｓｃｏｐｅｏｆａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅａｃｃｅｓｓｏｆｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｅｘｐｏｎｅｎｔｏｆｔｈｅｍｏｄｅｌｉｎｇｃｒｉｔｅｒｉｏｎｓ，ｍａｋｉｎｇｕｓｅｏｆｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ．Ｆｉｒｓｔａｎｄｆｏｒｅｍｏｓｔ，ｓｏｍｅｍｏｄｅｌｉｎｇｔｈｅｏｒｉｅｓｏｆｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｒｅｒｅｓｕｌｔｅｄｆｒｏｍｔｈｅｃｈｅｍｉｃａｌｒｅａｃｔｉｏｎ—ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｔｈｅｏｒｙａｎｄｔｈｅｆｌｕｉｄｍｅｃｈａｎｉｃｓ，ｓｏｍｅｓｉｍｉｌａｒｉｔｙｃｒｉｔｅｒｉｏｎｓｏｆｇａｓｔｕｒｂｉｎｅｃｏｍｂｕｓｔｏｒａｒｅｄｅｒｉｖｅｄｆｒｏｍｔｈｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅｗｉｔｈｔｈｅｓｅｔｈｅｏｒｉｅｓ，Ｓｕｂｓｅｑｕｅｎｔｌｙ，ｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅａｎｄｈａｒｄｗａｒｅｐｌａｔｆｏｒｍｕｓｅｄｉｎｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｉｓｔｏｂｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ｍａｉｎｌｙｉｎｃｌｕｄｉｎｇｈｏｗｔｏｇｅｎｅｒａｔｅｍｅｓｈａｎｄｔｈｅｍａｉｎｐｒｏｇｒａｍｍｅｏｆｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｍａｋｉｎｇｕｓｅｏｆｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ，ｃｏｍｐａｒｉｎｇｔｈｅｆｌｏｗｆｉｅｌｄａｎｄｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｈｉ曲ｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｔｈｅｓｌｉｇｈｔｐｒｅｓｓｕｒｅｉｎｇａｓｔｕｒｂｉｎｅｃｏｍｂｕｓｔｏｒ，ｔｈｅｓｃｏｐｅｏｆａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍｏｄｅｌｉｎｇｃｒｉｔｅｒｉｏｎｓｉｓｔｏｂｅｖｅｒｉｆｉｅｄ．Ａｔｌａｓｔ，ｍａｋｉｎｇｕｓｅｏｆｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅａｃｃｅｓｓｒａｎｇｅｏｆｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｅｘｐｏｎｅｎｔｏｆｔｈｅｍｏｄｅｆｉｎｇｃｒｉｔｅｒｉｏｎｓｉｓｄｉｆｆｅｒｅｎｔ，ｗｈｅｔｈｅｒｔｈｅｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｉｓｒｅａｃｔｉｏｎ－ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｏｒｄｉｆｆｕｓｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ．Ｃｈａｎｇｉｎｇｔｈｅｅｘｃｅｓｓａｉｒｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｉｎｔｈｅｐｒｉｍａｒｙｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｚｏｎｅａｎｄｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｔｈｅｉｎｌｅｔａｉｒｉｓｈｏｗｔｏｉｎｆｌｕｅｎｃｅｔｈｅｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｔｈｅｇａｓｔｕｒｂｉｎｅｃｏｍｂｕｓｔｏｒ．ＴｈｉｓｒｅｓｅａｒｃｈｉｓａｎｉｎｉｔｉａｌｗｏｒｋｆｏｒｔｈｅｆｕｒｔｈｅｒｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｎｔｈｅｔｈｅｏｒｙｌＩ垒！塑！！一一——ａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｆｉｅｌｄｏｆｍｏｄｅｌｉｎｇｃｒｉｔｅｒｉｏｎｏｆｇａｓｔｕｒｂｉｎｅｃｏｍｂｕｓｔｏｒ，ｗｈｉｃｈｉｓａｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｔｈｅｍｏｄｅｌｉｎｇｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｎｄｔｈｅｄｅｓｉｇｌｌｏｆｇａｓｔｕｒｂｉｎｅｃｏｍｂｕｓｔｏｒｉｎｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｉｖｅｐｒａｃｔｉｃｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＧａｓＴｕｒｂｉｎｅＣｏｍｂｕｓｔｏｒＣｏｍｂｕｓｔｉｏｎＥｆｆｉｃｉｅｎｃｙ；ＭｏｄｅｌｉｎｇＣｒｉｔｅｒｉｏｎ；ＰｒｅｓｓｕｒｅＥｘｐｏｎｅｎｔＮｕｍｅｒｉｃａＩＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ¨Ｉ第一章绪论第一章绪论１．１燃烧室模化实验意义简述由于目前燃气轮机燃烧室的设计方法在准确性、可靠性方面还有待于进一步的改进和提高，因此燃烧室实验及其调整工作在燃气轮机产品的设计、研制及燃气轮机事业发展中起很重要的作用。
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航空发动机1引言燃气轮机燃烧室的传统设计方法主要是依靠经过分析、总结的大量试验数据后，得到的经验公式，而由此设计出的方案还要再通过反复试验来验证、完善及筛选。
因此，传统燃烧室设计需要耗费大量时间、人力、物力和财力[1]。
近来，计算流体力学和计算燃烧学的迅速发展以及计算机商业软件的广泛应用，使得以计算机模拟、诊断技术研究为主的新型设计方法逐步趋向成熟，虽然目前还不能替代传统的设计方法，但可作为辅助设计手段，以缩短燃烧室设计周期，减少设计费用。
本文在已有燃烧室试验结果的基础上，使用Fluent 软件，对R0110重型燃气轮机逆流环管型燃烧室单个火焰筒内部的流场进行了全尺寸的三维数值模拟计算，并与试验结果进行了比较分齐兵（1981），男，主要从事燃气轮机燃烧室设计工作。
收稿日期：2008-05-13R0110重型燃气轮机燃烧室三维数值模拟齐兵，金戈，顾铭企（沈阳发动机设计研究所，沈阳110015）摘要:采用SIM PL E 算法，应用带有旋流修正的k-ε双方程湍流模型及有限速率/涡耗散化学反应模型，对R 0110重型燃气轮机逆流环管型燃烧室单个火焰筒进行了三维数值模拟计算。
将计算出的燃烧室出口温度场的分布、品质及火焰筒壁温与试验结果进行了对比分析。
燃烧室进口流量、温度、压力等气动参数均与试验时保持一致，火焰筒各部分空气流量也均按火焰筒空气流量分配试验结果给定。
计算和对比分析的结果表明，计算得到的燃烧室出口温度场的分布、品质及火焰筒壁温分布与试验结果比较接近。
关键词：燃烧室；数值模拟；重型燃气轮机；温度场；品质；壁温3D Numerical Simulation of R0110Heavy Duty Gas Turbine CombustorQI Bing,JIN Ge,GU Ming-qi(Shenyang Aeroengine Research Institute,Shenyang 110015,China)Abstract:3D numerical simulation of the single liner was performed for the R0110heavy duty gas turbine reverse-flow cannular combustor using SIMPLE algorithm based on k-εtwo-equation turbulent model with turbulent corrected and finite-rate/eddy dissipation chemistry reaction model.The comparative analyses between the calculation and experiment results with the distribution and quality of the combustor exist temperature field and the linerwall temperature were conducted.The aerodynamic parameters of the combustor inlet flow,temperature and pressure etc.were consistent with the test values.The air flow distributions of the liner were determined according to the experimental results.The results of the calculation and comparative analysis show that calculation results of the distribution and quality of the combustor exist temperature field and the distribution of liner wall temperature approach to the experimental results.Key words:combustor;numerical simulation;heavy duty gas turbine;temperature field;quality;wall temperature28/292009年第35卷第4期Vol.35No.4Aug.2009航空发动机析，主要目的是评估计算结果与试验结果的一致性，同时也为今后同类型燃烧室计算积累经验。
2燃烧室简介R0110重型燃气轮机的燃烧室为逆流环管型（其结构如图1所示），位于压气机的外侧，以缩短燃气轮机轴向长度；主要由燃烧室气缸、沿周向均布的20个火焰筒及喷嘴组件等组成。
该燃烧室设计采用了目前较为先进的干低排放技术，每个火焰筒（其立体图如图2所示）均是分级、分区组织燃烧，以降低污染物排放。
第I级为带8个微型涡流器的环形火焰筒，燃烧方式为扩散燃烧。
在低状态下，只有环形火焰筒工作，以保证燃烧完全，降低CO和UHC的排放。
第II级为带有1个主涡流器的管型主火焰筒。
主涡流器前安装有8个气体燃料喷杆，喷杆喷出的燃料与空气一起，经主涡流器进入火焰筒燃烧区，形成预混燃烧，以便控制燃烧区火焰温度，降低NOx的排放。
考虑到贫油预混燃烧的不稳定性，在主火焰筒中心还安装了1个值班气体燃料喷嘴，形成扩散燃烧，防止燃烧室工作时熄火。
3数学模型对于所有的流动，FLUENT都是解质量和动量守恒方程。
对于包括热传导或可压性的流动，需要解能量守恒的附加方程；对于包括组分混合和反应的流动，需要解组分守恒方程或者使用PDF模型，来解混合分数的守恒方程以及其方差；当流动是湍流时，还要解附加的输运方程。
连续性方程、动量方程、能量方程、气相组分方程及k-ε方程在柱坐标系中的统一形式可以表示为鄣ρu鄣鄣φ+鄣rρν鄣鄣φ+鄣ρw鄣鄣φ=鄣│Гφ鄣φ│+鄣│rГφ鄣φ鄣r│+鄣r鄣θ│Гφ1r鄣φ鄣x│+Sφ（1）式中：φ为流动物理量；Гφ为有效扩散系数；Sφ为源项；x、r、θ分别为轴向、径向、周向坐标；u、ν、w分别为x、r、θ方向的速度；ρ为气体密度。
当φ=u、ν、w、k、ε、f和h时，分别对应于x、r、θ方向的动量方程、湍流动能方程、湍流动能耗散率方程、组分质量分数方程和能量方程；当φ=1、Гφ=0时，为连续方程。
各方程中Гφ和Sφ的表达式请参阅文献[2]。
4计算域考虑到该燃烧室结构复杂且尺寸较大，为控制网格数量，计算域仅选取1个完整的火焰筒内部，即未包括2股腔道部分。
按照火焰筒实际尺寸，用Gambit软件进行建模及网格划分。
Gambit中生成的计算域如图3所示。
整个计算域划分后的网格节点数量为220万左右。
在建模中，进行了如下简化，以便于网格划分：过渡段的结构；冷却气膜孔简化为等面积的气膜环；主燃孔和掺混孔简化为等面积的方孔；未模拟过渡段背部及出口安装边的冷却孔。
5边界条件5.1燃料在计算中，使用100%的甲烷代替成分较为复杂的天然气，主要是考虑到计算机硬件配置问题图1燃烧室简图图2火焰筒图3计算域实体2009年第35卷第4期Vol.35No.4Aug.2009航空发动机拟简化一些化学反应机理以加快迭代计算速度。
采用1步化学反应CH 4+2O 2→CO 2+2H 2O （2）每种物质的比热容按下式计算[3]c p （T ）=mk =0Σa k Tk（3）修正的c p 多项式系数见表1。
5.2进、出口边界本次计算状态为燃烧室基本工作负荷状态。
火焰筒各部分空气量，均按火焰筒流量分配试验结果指定。
燃烧室空气进口及燃料进口均采用质量流量入口，在计算中，通过调节当地入口处的总压来达到要求的速度。
参考压力设为试验时的燃烧室进口压力。
燃烧室出口采用自由出流边界（outflow ），假定出流为充分发展流动。
Fluent 在出流边界上使用的边界条件如下：所有流动变量的扩散通量为零；总体质量守恒。
6计算模型6.1化学反应模型化学反应模型采用有限速率/涡耗散化学反应模型，以适应R0110重型燃气轮机燃烧室的部分预混燃烧模式的要求。
该模型同时计算Arrhenius 反应速率和涡耗散反应速率，净反应速率取二者中的较小值。
实际上，Arrhenius 反应速率作为1种动力学开关，阻止反应在火焰稳定器之前发生。
一旦火焰被点燃，涡耗散反应速率通常会小于Arrhenius 反应速率，并且反应是混合限制的。
这样就修正了单纯的涡耗散模型用于预混火焰时的“回火”问题。
6.2湍流模型湍流模型选用了带有旋流修正的realizable k-ε湍流模型，以适应燃烧室内复杂的带有强旋流的气体流动。
方程中的模型常量均按Fluent 默认值给定。
6.3其它模型辐射模型采用P-1模型；壁面处理采用标准的壁面函数；采用2阶迎风差分格式，以提高计算精度。
7计算结果与分析7.1火焰筒内速度分布主燃孔截面的速度分布如图4所示。
从图4中可以看出，掺混孔的射流深度略浅，这将很难冲散主火焰筒中心的高温燃气，导致出口温度场品质恶化。
主燃孔射流深度基本上已经穿透环形火焰筒，有利于环形区燃料与空气的组织燃烧。
火焰筒逆流区的分布如图5所示。
逆流区是回流区的一部分，其分布可以表征回流区的状况。
从图5中可以看出，主火焰筒头部回流区比较明显，有利于火焰稳定和组织燃烧。
相比之下，环形火焰筒头部回流区略小，可能导致环形区燃料与空气混合不充分，从而使环形火焰筒头部的燃烧情况较差。
7.2火焰筒内燃料浓度分布火焰筒各截面燃料浓度分布如图6所示。
图6（a ）为火焰筒头部燃料质量浓度分布。
从图中可以看出，主火焰筒内的燃料浓度在第2段束腰环之后就已经变得很小，说明主火焰筒头部燃烧情况比较理想，整个燃烧室燃烧效率较高。
使用燃气分析法测得的燃烧室燃烧效率为99.99%，证明了上述推测N 2CH 4COH 2a 0a 1a 2a 3a 41.02705E+032.16182E-021.48638E-04-4.48421E-08 2.00500E+03-6.81428E-017.08589E-03-4.71368E-068.51317E-10 1.04669E+03-1.56841E-015.39904E-04-3.01061E-075.05048E-11 1.41470E+041.73720E-016.90000E-04——CO 2H 2OO 2a 0a 1a 2a 3a 4a 5a 6 5.35446E+021.27867E+00-5.46776E-04-2.38224E-071.89204E-10——1.93780E+03-1.18077E+003.64357E-03-2.86327E-067.59578E-10——8.76317E+021.22828E-015.58304E-04-1.20247E-061.14741E-09-5.12377E-138.56597E-17表1比热容温度修正系数图4主燃孔截面速度分布图5火焰筒逆流区分布30/31齐兵等：R0110重型燃气轮机燃烧室三维数值模拟是正确的。