基于非反应流动的贫油熄火边界预测方法研究

Due to the low error and low generality of current lean blowout (LBO) predictive methods of combustors, a new LBO model named as FV (Flame Volume) model was proposed based on Lefebvre model and flame volume concept in the early study. Because the flame volume can't be obtained in advance unless LBO limit is known, the current FV model can't be used in LBO predictions. Because of this reason, a method that combines the FV model and non-reacting flow simulation is employed in this study: firstly, a theoretical flammable region is constituted in the non-reacting flow of combustor,the effects of theoretical flammable region and other non-reacting flow parameters on LBO limit are analyzed. Secondly, the functions between the theoretical flammable region and LBO fuel/air ratio in FV model and actual combustor are analyzed so as to develop a new combination method of numerical simulation and semi-empirical model that get rid of the dependency between theory flammable region and LBO limit, and then realize the prediction of LBO limit.In this study, the related conditions of combustion performance will be built up in an entirely new views and the potential link between non-reacting flow and LBO performance will expect to be revealed. According to this potential link semi-empirical LBO model, the new mechanism and method of LBO prediction are explored and investagated which are of great theoretical and practical meanings to the innovation and development of LBO prediction study.

鉴于目前燃烧室贫油熄火边界预测方法精度不高、通用性差等问题，前期在Lefebvre贫熄模型的基础上，发展了基于火焰体积的FV贫熄模型，但由于模型中火焰体积等参数的获得是以熄火边界已知为先决条件的，因此目前的FV模型还不能实现对贫熄边界的预测。针对这个问题，本项申请采用将FV模型与非反应流动数值模拟相结合的方法：1，在燃烧室非反应流场建立理论可燃区替代实际火焰区，研究理论可燃区等非反应流场参数对贫熄边界的影响机理及规律；2，分析理论可燃区在FV模型和实际燃烧室中随油气参数的变化规律，在此基础之上创新数值模拟与贫熄理论模型结合的数学/物理方法，进而实现对贫熄边界的预测。本项申请预期从一个崭新的角度建立贫熄性能的关联条件，揭示非反应流动与贫熄边界的潜在联系，并且基于这种联系结合贫熄理论模型探索、发掘热态贫熄边界新的预测机制和方法，这对目前贫油熄火边界预测方法的创新与发展具有重大理论及现实意义。

鉴于目前燃烧室贫油熄火边界预测方法精度不高，通用性差等问题。本项目对燃气轮机燃烧室贫油熄火边界预测方法进行了理论、数值及实验研究。研究结果表明：（1）在双径向旋流器燃烧室中，增大一级进气量，熄火油气比增大，二级气量只影响到油雾的分布，对熄火性能影响不大。在双轴向旋流器燃烧室中，一、二级气量增大，熄火油气比减小。在同一头部类型 （双轴向、轴径向、双径向）的燃烧室中，增大主燃孔空气量，熄火油气比减小。回流区体积和总回流气量对燃烧室的贫熄性能并没有趋势性的影响；（2）基于燃料的可燃边界对燃烧室在近熄火工况的燃烧区进行了准确表征。燃烧区的形态主要受燃烧室头部结构类型的影响，在双轴向旋流器燃烧室中，由于通过旋流器气流的动量主要体现在轴向方向，因此燃烧区在靠近火焰筒内外壁面的区域向下游突出，整个燃烧区呈现“碗”状；在双径向旋流器燃烧室中，由于通过旋流器气流的动量主要体现在径向方向，燃烧区形状相对比较平整，呈现“蘑菇”状。在轴径向旋流器燃烧室中，燃烧区的形状介于双轴向燃烧室和双径向燃烧室之间；（3）通过调整燃烧室的总油气参数获得了燃烧室的燃烧区特性曲线。不同结构燃烧室燃烧区特性曲线呈现 “S”形，这是由于在不同油气范围内燃油流量和燃烧效率对燃烧区体积的交替影响造成的。当燃烧室总油气比大于0.01，燃烧区体积主要受燃油流量影响，燃烧区体积随着燃烧室油气比的降低缓慢减小。当燃烧室总油气比位于0.003和0.01之间时，燃烧区体积受到燃油流量和燃烧效率的综合影响，此时燃烧效率较低，燃烧区体积急剧减小易于造成燃烧室熄火。当燃烧室总油气参数小于0.003时，由于此时的油气参数已小于燃烧室实际熄火点，因此无实际意义；（4）基于燃烧室燃烧区在近熄火工况的特点，采用数值模拟与半经验模型相结合的方法，建立燃烧区特性曲线法。通过对扇形燃烧室试验件在不同工况下的贫熄试验验证，燃烧区特性曲线法的最大误差和平均误差分别为±20%和±9.0%，预测结果令人满意。