低污染双环预混旋流燃烧燃油雾化与低污染燃烧机理研究

在研究双环预混旋流(TAPS)燃烧基础上引入多点燃油直接喷射技术，提出低污染双环预混旋流燃烧混合方案(TAPS/MLDI)，此方案可改进TAPS燃烧室的燃油雾化掺混特性，提高贫油预混燃烧性能，进一步降低NOx排放。采用试验与数值模拟方法研究TAPS/MLDI方案的燃油雾化及低污染燃烧机理，掌握各结构参数之间关系对污染燃烧影响，使其降低污染效果最佳。采用PIV系统，试验研究TAPS/MLDI燃烧室主混合器和值班旋流器主要结构参数对燃烧室流场的影响，多点燃油直接喷射结构参数对头部燃油雾化特性及低污染燃烧性能的影响；确定合适的湍流与两相燃烧亚网格尺度模型，大涡模拟TAPS/MLDI燃烧室头部流场和油雾场，数值分析不同主混合器和值班旋流器基本结构对燃烧室头部流场、油雾燃烧流场以及低污染燃烧性能的影响。为TAPS燃烧技术的改进与发展，提供理论依据和应用基础，为新的低污染燃烧发展提供技术储备。

本文提出带多点燃油直接喷射双环预混旋流（TAPS/MLDI）头部的贫油预混预蒸发(LPP)低污染燃烧室，先采用FLUENT软件对LPP燃烧室冷热态流场与燃烧性能进行数值计算，通过数值计算结果来改进双环预混旋流燃烧室头部方案；再对改进后的双环预混旋流燃烧室进行设计与加工，开展冷态流场PIV测量、油雾场测量以及燃烧性能测量等相关试验；并采用大涡模拟方法研究了不同亚网格尺度模型和亚网格燃烧模型，利用相应亚网格模型来研究LPP燃烧室两相喷雾燃烧流场。.1、利用Fluent数值研究三种LPP燃烧室头部方案和四种进口工况对其影响。计算结果表明：1）在LPP燃烧室头部存在中心回流区、角落回流区和唇口回流区，冷态流场结果与PIV试验结果吻合较好；2）在进口工况不变时，头部方案B燃烧性能相对最优；3）热力型NOX的生成速率与燃气温度超过1950K区域的大小和最高燃气温度直接相关。2、采用PIV测量三种LPP燃烧室冷态流场。研究表明：1）在LPP燃烧室头部存在中心回流区、角落回流区和唇口回流区；2）燃烧室中心回流区宽度随着距燃烧室头部距离的增加先逐渐增加，而后逐渐减少；3）值班级旋流与主级旋流之间存在较大的速度梯度，有利于值班级与主级之间的质量、动量和能量交换。3、采用PIV测量三种LPP燃烧室油雾特性，研究表明：1）油珠直径在40μm左右的油珠数目最多，随着油滴粒径的增加或减少，油滴数量急剧减少，在油雾锥附近大油珠数目较多，随着距离的增加，油珠平均直径逐渐减少；2）值班级燃油流量15%，主级燃油流量85％时，雾化效果最好。4、对带A头部的LPP燃烧室进行了燃烧性能试验测量，获得了LPP燃烧室出口污染物浓度、温度分布和压力损失系数，试验结果表明LPP燃烧室出口污染物浓度远低于目前的CAEP排放标准，并且压力损失较低。5、研究了两种亚网格尺度湍流模型和三种亚网格燃烧模型在三维贴体坐标系下对流场的影响，并与试验结果进行比较，验证相应数学模型和计算方法；编制了LPP燃烧室三维贴体坐标系下两相喷雾燃烧大涡模拟计算软件，并数值研究不同进口工况对LPP燃烧室燃烧流场的影响。.通过理论分析、数值计算与试验研究相结合的方法基本掌握了带TAPS/MLDI燃烧室头部的LPP燃烧室冷态流场、燃油雾化与低污染燃烧机理。.已完成申请书所有研究内容，已发表文章8篇，录用2篇，投稿3篇，申请国家发明专利1项。