基于新LEVEL SET方法的双标量小火焰模型的研究

Lean premixed combustion technology of gas turbine is proposed base on the strong environmental constrains and the high combustion efficiency. Many fundamental scientific questions about the technology have not been solved so that it will take long time to form the core technology of China. Large-eddy simulation (LES) combined with 2-scalar flamelet approach is investigated in the proposal to predict turbulent lean premixed combustion phenomenon. The research contents is planned to be as following: 1)Methane-air counter flow premixed flame is assumed to be investigated as the basic research, the temperature and velocity distribution will be calculated, the effect of the new and old Level Set approach applying different numerical schemes will be analysed. 2)The new Level Set approach will further apply in the turbulent partially premixed flame to implement the two scalar flamelet model. 3) The instant velocity, temperature and NOx distribution in the chamber will be analysed to support the development of the optimum condition of the chamber. The numerical results will be compared with the experimental data and give the support for the development of the model. The completion of the tasks will support the development of the fuel lean premixed flame technology. The application of the innovation will be expected to more exactly to simulate the fuel lean premixed flame based on the new Level Set approach in the two scalar flamelet model combined with LES.

燃气轮机贫燃预混技术是在强环保条件约束，高燃烧效率的前提下提出的，由于该技术的发展面临许多基础科学问题还未澄清，距离形成我国该项核心技术有一段前期理论完善的路要走。本项申请是针对研究贫燃料预混双标量燃烧模型提出的，拟开展的主要研究内容有:1)开展对甲烷空气对冲层流预混燃烧作为研究对象的基础性研究，分析新旧两种LEVEL SET方法采取不同数值离散格式带来的影响2)对新LEVEL SET方法应用到部分预混的湍流燃烧中，进一步完善双标量的小火焰模型3)对燃烧室内瞬态速度场，温度场与NOx的分布耦合特征进行分析，就建立的模型的准确性与实验数据进行比较，力争在建模方面有所突破，提出改进模型参数的依据，为燃烧最佳工况匹配的原则提供理论支撑。这些工作的完成将为支撑贫燃料预混技术的发展提供一定的理论支撑。本项申请期盼的创新之处体现在在大涡模拟联合改进双标量小火焰模型求解的基础,更加精确模拟贫燃预混的温度及速度分布。

本项目按照原计划书的安排，按计划完成了研究内容，并针对函评专家的反馈意见将原内容扩大到了三个部分，在以下方面进行了更为深入的研究。1)开展对甲烷空气对冲层流预混燃烧作为研究对象的基础性研究，分析新旧两种LEVELSET方法采取不同数值离散格式带来的影响，对新LEVEL SET方法应用到部分预混的湍流燃烧中，进一步完善两标量的小火焰模型在考虑到燃烧厚度的基础上，对冲火焰中燃烧速度受剪切影响的前提下，通过对比贫燃状态下的甲烷空气的CHEMKIN数据，我们比较了新旧两种模型并得到如下结论: 原有的G方程被证明其数值不稳定性，对流项不论是采用中心差分格式还是迎风格式；新Level Set方法显示出其稳定性并且结果与CHEMKIN结果高度一致；温度分布图中预测的不止是燃烧面，整个燃烧区域都显现出其有效性；新Level Set 方法本身已经考虑了受剪切火焰影响的燃烧速度。小火焰模型的完善应用到部分湍流预混燃烧中，对控制污染物排放和稳定燃烧的研究有很大的指导意义。2) 我们对旋流贫燃预混燃烧进行了甲烷空气双标量模型的大涡模拟。冷态和热态情况分别进行了计算，并与试验结果进行比较，从而得到以下结论：在冷态和热态两种工况下应用LES的瞬态模拟可以掌握时均速度场的趋势。 双标量模型结合大涡模拟可以计算出速度分布的趋势，试验与模拟得到的温度分布较为一致。双标量小火焰模型与热力型NO机理结合得到的浓度分布与试验数据较为接近。3）我们又增加了原计划书没有的本生灯部分，通过对本生灯试验得到燃烧速度，与模拟进行对比，对燃烧速度有了一个更进一步的认识。本项目考虑燃烧厚度的基础上，改进了新LEVEL SET方法，发展完善小火焰模型，应用详细反应机理，得到了一个计算量小，准确的CFD模型，为将来燃气轮机燃烧室设计明确方向。