带径向旋流器的工业干式低排放燃气轮机燃烧室中掺混强化的数值模拟

《Fuel》：Numerical simulation of mixing enhancement in an industrial Dry-Low emission gas turbine combustor with a radial swirler

　　

研究人员旨在对配备径向旋流器的工业干式低排放（DLE）燃气轮机燃烧室中的燃料-空气预混进行数值评估。研究在反应工况、非反应工况下进行了可压缩雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）模拟，并评估了三种湍流模型。其中，k–ω SST模型因能提供更满意的预测结果而被选为最终的湍流封闭模型。为准确评估传热，研究人员应用了共轭传热（CHT）方法。分析聚焦于主燃料壁面喷射管线，考察了（i）喷射侧（压力面与吸力面），（ii）固定总面积下的喷孔数量（每个通道2孔与3孔），以及（iii）沿狭缝的横向孔位。由此得到六种构型（作为结果）。“1/2/3”表示三种横向布局，“a/b”表示压力面/吸力面喷射。掺混程度通过未混合度参数的测量进行量化。与1a相比，1b使旋流器狭缝出口处的掺混提升了26.7%，实现了更深穿透（约狭缝宽度的70%），并产生沿通道更低的未混合度变化（47.5%对77.2%）。将喷孔数增至3导致射流速度上升6%，燃料射流与横向来流动量通量比增加12.4%。然而，由于反向旋转涡对相互作用占主导，其穿透深度较双孔构型降低。在反应工况下，案例1b的峰值流温降幅最大（3.1%）及燃烧室尖端温度降幅最大（9.2%）。对于案例3b，分别为1.3%和5.1%。总体而言，构型3b提供最均匀的温度场，而1b使燃烧室尖端及计算域峰值温度最小化。

论文解读：带径向旋流器的工业干式低排放燃气轮机燃烧室中掺混强化的数值模拟

研究背景与意义

能源是现代社会经济发展的基石，但化石能源的广泛使用导致了严重的温室气体排放与气候变化问题。燃气轮机作为发电与推进领域的核心装备，其污染物排放控制尤为关键。干式低排放（Dry-Low Emission, DLE）或干式低氮氧化物（Dry Low NOx, DLN）技术通过燃料-空气预混燃烧降低火焰峰值温度，从而抑制热力型NOx生成。径向旋流器因能提供强回流区以稳定火焰，被广泛应用于Siemens等厂商的DLE燃烧系统中。然而，DLE系统在贫燃条件下面临火焰稳定性挑战，且燃料-空气掺混质量直接决定燃烧效率与排放水平。尽管实验测试能提供基准数据，但在高温高压真实发动机环境下成本高昂且风险大。因此，Sina. Sani、G.R. Abdizadeh、Ghazaleh Ahmadi、Hadi Yavari及Mohammad Alizadeh等研究人员通过开展高保真数值模拟，系统探究主燃料壁面喷射构型对掺混、温度场及部件热负荷的影响，为工业DLE燃烧室优化设计提供理论支撑。该研究成果发表于《Fuel》。

主要关键技术方法

研究人员以某工业DLE燃气轮机六分之一扇区为计算域，涵盖燃料喷射系统、双层衬筒、过渡段、扩压器及一级导叶（NGV）。边界条件取自全机集成代码以保证真实性。研究采用可压缩雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）框架，选用k–ω SST（Shear Stress Transport）湍流模型，结合有限速率/涡耗散（FR/ED）燃烧模型。非反应与反应工况分别用于评估掺混与热场。为精确捕捉壁温分布，引入共轭传热（Conjugate Heat Transfer, CHT）方法耦合固体与流体域。针对主燃料壁面喷射线，设计了喷射侧（压力面a/吸力面b）、每通道孔数（2孔/3孔，固定总面积）及横向位置（布局1/2/3）的参数化研究，共6种构型。网格独立性验证与两步验证（非反应掺混实验、反应壁温实测）确保了结果可信度。

研究结果

问题阐述（Problem Description）

研究对象为反向流式DLE燃烧室，每具燃烧室含径向外流式旋流器、预燃室、双壁衬筒（带冲击+气膜冷却孔）及过渡段。燃料从旋流器叶片通道壁面的主喷射孔注入，与横向来流（空气）形成横流射流（Jet in Crossflow, JICF），在紧凑空间内完成预混。

网格与网格独立性研究（Mesh and grid independence study）

研究强调燃烧室近壁区、分离泡、旋流涡核、射流穿透与掺混层的分辨率。通过网格收敛指数量化离散误差，选定平衡精度与成本的计算网格。

湍流模型选择（Turbulence model selection）

在标准k–ε、Realizable k–ε及k–ω SST三模型中对比压降、旋流数、回流区特征等。k–ω SST能更好捕捉强中心预cession涡核（Precessing Vortex Core, PVC），被选为基线模型。

验证（Validation）

非反应流结果与旋流器区掺混实验对比，反应流结果与燃烧室热屏及衬筒壁温测量对比，证实模拟框架可靠。

燃料-空气掺混（Fuel–Air mixing）

燃烧室掺混由径向旋流器、预燃室及射流剪切层三段依次完成。主混合发生在旋流器通道内，横流射流受通道内分离泡形成的剪切层调制。研究通过未混合度（unmixedness）参数量化掺混质量。

关键发现：

• •
  喷射侧影响：相比压力面喷射（1a），吸力面喷射（1b）使旋流器狭缝出口掺混提升26.7%，射流穿透深度达狭缝宽度约70%，未混合度沿通道的波动由77.2%降至47.5%。
• •
  孔数影响：固定总面积下，每通道由2孔增至3孔使射流速度升6%，射流-横流动量通量比升12.4%。但受反向旋转涡对（Counter-Rotating Vortex Pair, CVRP）相互作用主导，3孔构型穿透深度反而低于2孔。
• •
  反应工况热场：1b构型使峰值流温降3.1%、燃烧室尖端温度降9.2%；3b构型对应降幅为1.3%与5.1%。整体看，3b温度场最均匀，而1b最有效地抑制了局部及域峰值温度。

讨论与结论翻译总结

研究人员通过可压缩RANS模拟（k–ω SST湍流模型、FR/ED燃烧模型及CHT方法），系统分析了径向旋流器DLE燃烧室主燃料壁面喷射构型的影响。研究表明：

1. 1.
   吸力面喷射（如1b）较压力面喷射显著改善早期掺混与射流穿透，降低未混合度梯度。
2. 2.
   增加喷孔数（2→3）虽提高动量通量比，却因涡对干涉削弱穿透，需权衡设计。
3. 3.
   反应条件下，1b最大限度降低燃烧室尖端及流场峰值温度，利于部件寿命；3b则提供最均匀出口温度分布，利于涡轮热管理。
   综上，构型1b适合以热斑与尖峰温度控制为目标的设计，构型3b适合以出口温度均匀性为优先的场合。该研究为DLE燃烧室燃料喷射布局的精细化设计提供了数值依据与工程指导。