甲烷燃料的燃烧机理及其在燃气轮机中的应用

【摘要】：在化学激波管中对甲烷燃料的着火特性进行了实验研究，并分析了初始温度、压力以及当量比对甲烷燃料着火特性的影响，结果表明，甲烷燃料着火延迟时间的对数与初始温度的倒数基本呈线性关系，并随着初始温度的升高，着火延迟时间逐渐缩短；当量比对甲烷燃料的着火延迟时间的影响不明显；随着初始压力的升高，甲烷燃料的着火延迟时间逐渐缩短。采用甲烷燃料的三种化学动力学模型对甲烷燃料的着火特性进行了数值计算，结果发现Gri_3.0反应动力学模型能在多工况下很好的预测甲烷燃料的着火特性。在定容燃烧反应器中对甲烷燃料的燃烧特性进行了实验研究，并分析了初始温度、压力以及当量比对其燃烧特性的影响，结果发现，随着初始压力的升高与初始温度的降低，马克斯坦长度明显变短，无拉伸层流火焰传播速率与层流燃烧速率明显降低；随着当量比的增加，马克斯坦长度明显延长，无拉伸层流火焰传播速率与层流燃烧速率出现先增加后降低的趋势，并在当量比为1.1时达到最大。采用甲烷燃料的三种化学动力学模型对甲烷燃料的燃烧特性进行了数值计算，结果发现Gri_3.0反应动力学模型能在多工况下很好的预测甲烷燃料的燃烧特性。耦合甲烷燃料的Gri_3.0化学反应动力学模型与CFD计算软件（Fluent），对燃用甲烷燃料的重型燃气轮机的燃烧过程进行了数值计算，并与实验结果进行了对比分析。结果表明，采用甲烷燃料的反应动力学模型计算得到的单个火焰筒中速度场、温度场、反应物、生成物及各主要中间组分的浓度场均能较好的反映出该型燃气轮机燃烧室的实际燃烧情况，并且计算得到的出口温度分布与实验值吻合较好。 【关键词】：甲烷 着火特性 燃烧特性 燃气轮机 反应动力学
【学位授予单位】：沈阳航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TK471
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-11
• 主要符号表11-13
• 第1章 绪论13-25
• 1.1 甲烷燃料着火特性的实验研究15-17
• 1.2 甲烷燃料燃烧特性的实验研究17-19
• 1.3 甲烷燃料的反应动力学模型19-21
• 1.4 燃气轮机燃烧室燃烧过程的数值研究21-24
• 1.5 论文的主要研究内容24-25
• 第2章 甲烷燃料的着火特性25-49
• 2.1 实验装置25-28
• 2.1.1 激波管管体26-27
• 2.1.2 配气和进气系统27-28
• 2.1.3 着火诊断系统28
• 2.2 实验原理28-32
• 2.2.1 实验的有效时间30
• 2.2.2 着火延迟期的定义30-31
• 2.2.3 五区气体状态参数的确定31-32
• 2.3 甲烷燃料的典型着火特性32-35
• 2.3.1 甲烷燃料的着火延迟期32-34
• 2.3.2 甲烷燃料着火特性的反应动力学分析34-35
• 2.4 甲烷燃料着火特性的影响因素35-48
• 2.4.1 当量比对甲烷燃料着火特性的影响35-44
• 2.4.2 初始压力对甲烷燃料着火特性的影响44-48
• 2.5 本章小结48-49
• 第3章 甲烷燃料的燃烧特性49-72
• 3.1 实验装置50-51
• 3.2 实验原理51-53
• 3.3 甲烷燃料预混燃烧的火焰发展特性53-55
• 3.3.1 典型的火焰发展特性53-54
• 3.3.2 火焰的不稳定性54-55
• 3.4 影响火焰发展特性的因素55-57
• 3.4.1 当量比对火焰发展特性的影响55
• 3.4.2 初始压力对火焰发展特性的影响55-56
• 3.4.3 初始温度对火焰发展特性的影响56-57
• 3.5 甲烷燃料预混燃烧的层流燃烧特性57-68
• 3.5.1 火焰半径随着火时刻的变化趋势57-59
• 3.5.2 拉伸火焰传播速率随火焰半径的变化趋势59-61
• 3.5.3 拉伸火焰传播速率随拉伸率的变化趋势61-63
• 3.5.4 马克斯坦长度随当量比的变化趋势63-65
• 3.5.5 无拉伸层流火焰传播速率随当量比的变化趋势65-67
• 3.5.6 层流燃烧速率随当量比的变化趋势67-68
• 3.6 层流燃烧速率的反应动力学分析68-70
• 3.6.1 计算模型68
• 3.6.2 层流燃烧速率68-70
• 3.7 本章小结70-72
• 第4章 某型燃气轮机燃烧过程的反应动力学研究72-90
• 4.1 计算流程简介72-73
• 4.2 物理模型73-74
• 4.3 计算模型74-79
• 4.3.1 基本控制方程74-76
• 4.3.2 湍流模型76
• 4.3.3 燃烧模型76-78
• 4.3.4 辐射模型78-79
• 4.4 初始计算条件79
• 4.5 计算结果与分析79-90
• 4.5.1 流场分布特性79-80
• 4.5.2 温度场分布特性80-82
• 4.5.3 反应物浓度场分布特性82-83
• 4.5.4 中间产物浓度场分布特性83-85
• 4.5.5 活性组分浓度场分布特性85-87
• 4.5.6 主要排放物浓度场分布特性87-90
• 结论90-92
• 全文的主要工作及得到的主要结论总结90-91
• 对今后工作的建议91-92
• 参考文献92-95
• 致谢95-96
• 攻读硕士期间发表（含录用）的学术论文96

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