包吉威[1]2003年在《等离子点火器燃烧流场的数值模拟》文中研究指明燃气轮机作为一种动力装置，目前广泛的应用在航空工业、陆用发电、天然气输送、石油、铁路、和造船工业中。燃烧室是燃气轮机中的一个不可或缺的部件，在燃气轮机启动过程中，实现燃烧室可靠的点火至关重要。等离子点火器是发动机的设备系统中一种新型的点火设备，它首先使少量的启动燃料点着形成点火火炬，然后依靠它，再去点燃整个燃烧室的主燃料炬。等离子点火技术是一门新兴技术，目前只有乌克兰将该技术应用到了舰船燃气轮机和地面燃气轮机上，由于该项技术主要点火设备具有独特的放电特性和较大的放电能量，并且能量集中，使发动机的点火可靠性和点火的浓度极限得到了极大的提高。等离子点火器中注入的燃料与空气等离子流发生传热、传质并发生复杂的剧烈的一系列物理化学燃烧过程，它带有气体的高温裂解、回流、湍流、在流动中进行激烈的化学反应。从传热、传质、对流及辐射换热，也都极为复杂。由于对某些燃料的燃烧过程机理至今尚不完全清楚，并且描述这一现象数学模型的控制微分方程很复杂，所以很难用解析方法求得等离子点火器燃烧流场的精确分布，这样就极大的限制了人们应用燃烧理论指导这一燃烧设备的设计研究。 随着计算流体力学和燃烧理论的发展及计算机的广泛应用，用数值模拟等离子点火器内部燃烧系统流动、传热、传质、化学反应等复杂的过程已成为可能。应用数值模拟的方法可以对实验难以测量的量进行预估，而不需要大量的试验，应用数值模拟的方法来解决等离子点火器燃烧性能的分析和工程设计，有利于提高工作的可靠性和经济性。因此数值模拟方法是研究等离子点火器内部过程机制的一个重要手段。 本文旨在通过构造反映等离子点火器内部流动规律的基本方程组，建立描述等离子点火器内部的复杂物理化学过程机制数学模型：模拟等离子发生器内部燃烧的κ-ε双方程湍流流动模型；模拟气体燃料在燃烧时中化学反应的简单化学反应系统模型；模拟等离子点火器内部湍流预混燃烧的漩涡破碎模型；模拟等离子点火器高温燃气及其壁面的P-I辐射换热的模型等等，对模型进行一定的合理的简化，然后数值模拟等离子点火器内部流场的流动。在数值模拟过程中，对等离子点火器的计算区域的空间离散化引入贴体坐标系统，对于控制方程采用混合格式的差分格式进行离哈尔滨工程大学硕士学位论文散，壁面处理采用壁面函数法;采用S刀叼尹LEC算法来解决压力速度祸合问题;采用多重网格法求解离散方程;应用上述的数学模型和算法，得到了等离子点火器内部温度、压力、湍流平均脉动动能、湍流动能耗率、流体的速度、密度等一系列燃烧流场的特性分布。通过对不同结构、不同初始条件工况下的等离子发生器流场的分析比较，对于实际的结构设计、改进将具有重要指导意义。
孔凡杰[2]2007年在《等离子点火器出口点火能量数值模拟分析》文中指出燃气轮机燃烧室的点火是启动过程中的一个重要环节。通过它，可以向燃烧室输入一定能量，直接把主燃料炬点燃；或者使少量的启动燃料首先点着，形成点火火炬，然后依靠它再去点燃整个燃烧室的主燃料炬。当燃烧室的主火焰能够连续而又稳定地维持后，点火过程就此结束。等离子体点火器是等离子体技术在动力与能源工程领域中应用而产生的一种新型点火装置。其高密度能量对空气或可燃混合物进行热学作用，进入等离子体点火器内的空气和雾状燃料经历的过程非常复杂，它涉及气体湍流流动、传热、传质、化学反应、辐射等过程。对描述其过程的非线性控制微分方程组，到目前还无法用解析法解出。对于燃烧设备来说，如果不能深刻理解和准确描述其工作过程，就很难将其变成更有效的工作装置。本文对等离子体点火器内燃烧过程进行了叁维模拟，通过构造反映等离子体点火器内部流动规律的基本方程组，建立了描述点火器内部复杂燃烧过程的数学模型。其模型包括：模拟湍流流动的标准的κ-ε模型；模拟内部湍流燃烧的非预混湍流燃烧模型；模拟辐射传热的DO辐射模型等。对于控制方程采用混合差分格式进行离散，壁面处理采用壁面函数法，压力速度耦合问题采用SIMPLE算法。通过数值模拟计算，讨论了改变空气过量系数对等离子点火器出口面上燃气混合物组分、内能、化学能、出口点火能量的影响。并对燃烧组分发生变化时对等离子点火器出口面处上述各参数的影响做了分析。这对实际等离子体点火器的结构设计和改进将起到重要的指导意义。
冀光[3]2006年在《等离子点火器燃烧流场数值与实验研究》文中认为燃气轮机在冷启动时点火的可靠性是影响燃气轮机的机动性和安全性的重要因素之一。如果燃气轮机一次点火不成功，不但会在紧急工况下成倍增加发动机启动时间，而且还会由于在发动机通流部件内可能会存在的积油而引起燃烧室的爆燃或发动机着火，对发动机的安全性和使用寿命产生严重影响。等离子点火技术是一种新型的点火方式，它通过电离的空气在贫氧状态下对点火燃料进行热裂解，然后用高温燃料裂解气去点燃主火炬。它点火能量高、点火边界宽，可以大幅度提高燃气轮机点火的可靠性及稳定性。因此，深入开展等离子点火技术的理论研究和试验研究工作，对指导等离子点火器的设计与应用具有重要的意义。本文详细介绍了等离子点火技术国内外研究现状和燃烧流场的数值模拟进展，系统深入地分析了等离子点火器内部化学反应模型、流场数理模型和数值模拟方法。作者采用SIMPLEC算法和贴体网格对燃用液态和气态两种不同燃料的某型等离子点火器内部湍流燃烧流场进行了多个工况的数值模拟，并对计算结果进行了详细分析，得到了工作参数对等离子点火器工作性能影响的关系曲线，提出了衡量等离子点火器点火性能的出口总能量流率的考核方法。同时，为了进一步考察等离子点火器的点火性能，作者在等离子点火器试验台上进行了液体燃料和气体燃料的等离子点火试验，考察了该型等离子点火器的点火边界和工作性能。所作的工作对等离子点火器的设计和应用研究具有重要参考价值。在上述理论研究与试验研究的基础上，为了延长电极寿命和减轻重量，作者设计了一种具有电极强制冷却的新型等离子点火器。这种新型等离子点火器简化了设计结构，体积小巧，具有更好的工艺性和可维护性。作者用SIMPLEC算法在不同空气压差和供油压力的工况下对新型等离子点火器内部的燃烧流场进行了数值模拟与结果分析，得到了可以反映出点火器工作性能的相关曲线，并通过试验验证了方案的可行性。
高德春[4]2008年在《等离子点火器性能研究》文中研究说明在燃气轮机启动中,实现燃烧室可靠点火至关重要。点火的成功率直接关系到整个动力装置的安全可靠运行,甚至关系到整个飞机(船舶)的安全。这也为点火装置的可靠性提出了较高的要求。等离子点火技术作为一种新型的点火技术正在广泛地应用于航空、电力、石化等工业。它具有独特的放电特性和较大的点火能量,能量集中,对发动机的点火可靠性和点火浓度极限有很大的提高,正在被越来越多的专业人士所关注。本文建立了等离子点火器内部和外部射流火焰基本方程组,采用了RNGk-ε双方程湍流流动模型、简单化学反应速率模型、湍流扩散火焰模型、离散相模型等数学模型。在边界条件的处理上,电极表面与周围流体进行耦合,考查对流换热和热传导对电极表面温度的影响。由于未对点火器几何模型工艺结构进行简化,为减少网格数量,采用混合网格对计算域进行划分,网格总数共计242万个;控制方程采用混合格式进行离散;选择壁面函数法对壁面进行处理;使用SIMPLE算法求解方程组。本文制定两套计算方案,从点火能量的角度,考查与点火总能量相关的出口平均温度、出口平均速度、出口各种物质摩尔分数分布、以及出口的火焰长度,经过综合分析,得出了随着α的增大,点火器出口平均温度趋于增大,有助于提高射流气体的点火内能;点火器出口平均速度趋于增大,有助于强化出口火焰刚性,提高射流深度;出口可燃物质的摩尔组分趋于下降,相应的用于点火的化学能趋于减少;射流火焰长度趋于减小,这与点火器出口处可燃物质浓度有关,提高射流火焰可燃物质浓度有利于增长射流火焰长度。并且依靠以上的理论分析,拟合出了用于工程设计的图线。另外,通过数值模拟,得出了导燃管内壁面温度随着过量空气系数变化的趋势,并总结出了重要结论。导燃管的最高温度位于距离燃料入口40mm的位置,在α不大于0.5的情况下,随着α的增大,对导燃管最高温度影响有限,但高温区面积增大,逐渐扩展到导燃管下游;在保证点火器出口平均温度能够点着燃料和保证火焰刚度的情况下,应尽可能减小空气过量系数α,对于增加射流火焰长度火焰,减小导燃管高温区域面积以及最高温度,提高点火器的寿命有着重要作用。
吴曙亮[5]2009年在《横向来流对等离子点火器点火区域的影响》文中研究指明等离子点火技术是一种新型的点火技术,具有独特的点火特性和很强的点火能力。等离子点火器在实际点火过程中,其点火区域经常要受到横向来流的影响。为了确保等离子点火器能进行有效点火并且不损伤等离子点火器及其他相关设备,有必要对有横向来流时等离子点火器的点火过程进行研究。本文通过数值模拟的方法来研究横向来流对等离子点火器点火区域的影响。本文通过对现有等离子点火技术的研究,结合等离子点火器实际结构,建立等离子点火器及点火区域的几何模型;利用燃烧学、计算流体力学等相关知识,建立等离子点火器燃烧流场的数学物理模型;采用了Realizablek ?ε湍流流动模型,简单快速反应速率模型、DO辐射模型,对壁面采用壁面函数法进行处理,使用SIMPLE算法求解控制方程组;运用这些数学物理模型,对不同工况进行数值模拟。通过对所选工况数值模拟结果的分析,得出燃料质量流量、空气质量流量和横向来流速度对等离子点火器内部及点火区域燃烧流场影响的规律。根据所设定的等离子点火器具有良好点火性能的标准得出:在燃料质量流量为0.4g/s时,空气过量系数为0.4~0.5时等离子点火器具有良好的点火性能;在燃料质量流量为0.5g/s时,空气过量系数为0.3时等离子点火器具有良好的点火性能。燃料质量流量为0.6g/s时,由于点火区域火焰范围过大,已经不适合进行点火。
穆勇[6]2005年在《等离子点火器叁维燃烧流场数值模拟》文中进行了进一步梳理等离子点火技术作为一种新型的点火技术正被广泛应用于航空工业、造船工业以及发电、石油天然气输送等诸多行业中。而等离子点火器作为现代燃气轮机的一种新型点火设备,具有独特的放电特性和较大的放电能量,能量集中,且可使发动机的点火可靠性和点火浓度极限得到极大提高等特点,正被各国科学人士研究和推广。 该点火器的工作过程是,首先使少量的启动燃料点着形成稳定的点火火炬,然后以此来点燃整个燃烧室的主燃料炬,完成整个点火过程。等离子点火器中注入燃料与高温空气等离子流时,在富燃料状态下发生传热、传质并发生复杂而剧烈的一系列物理化学反应,它带有气体和燃料的高温裂解和重组,包含有复杂的中间过程,并且各反应的速率不尽相同,因此反应过程相当复杂。目前,由于对某些燃料的反应机理尚不完全清楚,并且描述这一现象的数学模型及控制方程很复杂,所以很难用解析方法求得等离子点火器燃烧流场的精确分布,这样就极大的限制了人们应用燃烧理论指导这一燃烧设备的设计和研究。 随着计算流体力学和计算燃烧学的长足发展,以及计算机的广泛应用,使得采用数值模拟方法,模拟等离子点火器内部燃烧系的流动、传热传质、化学反应等复杂过程成为可能。应用数值模拟的方法可以对实验难以测量的参数进行预估,而不需要大量的实验,应用数值模拟的方法来解决等离子点火器燃烧和点火性能的分析和工程设计,有利于提高工作的可靠性和经济性。因此数值模拟方法是研究等离子点火器内部过程机理的一个重要手段。 本文旨在通过构造反映等离子点火器内部结构和流动规律的模型与基本方程组,建立起描述等离子点火器稳态叁维反应流的数学物理模型。模拟等离子点火器内部燃烧的RNGκ-ε双方程湍流流动模型;模拟液体燃料在燃烧多步反应时的有限化学反应速率模型;模拟等离子点火器内较小光学深度的辐射换热DO模型等等,对模型进行一定的合理的
赵仕厂[7]2004年在《发动机点火器燃烧流场的数值模拟》文中研究说明燃气轮机具有效率高、体积小、重量轻、维护简单、机动性好、运行可靠、自动化程度高、造价低等优点，因而广泛应用在航空工业、陆用发电、天然气输送、石油、铁路和造船工业中。燃气轮机启动或在高空熄火后重新启动时，实现燃烧室的可靠点火至关重要，点火性能直接影响发动机工作的安全可靠。 等离子点火器是发动机的设备系统中一种新型的点火设备，它首先使少量的启动燃料点着形成点火火炬，然后依靠它，再去点燃整个燃烧室的主燃料炬。等离子点火技术是一门新兴技术，该项技术主要点火设备具有独特的放电特性和较大的放电能量，并且能量集中，使发动机的点火可靠性和点火的浓度极限得到了极大的提高。等离子点火器中注入的燃料与空气等离子流发生传热、传质并发生复杂的剧烈的一系列物理化学燃烧过程，由于对某些燃料的燃烧过程机理至今尚不完全清楚，并且描述这一现象数学模型的控制微分方程很复杂，所以很难用解析方法求得等离子点火器燃烧流场的精确分布，这样就极大的限制了人们应用燃烧理论指导这一燃烧设备的设计研究。 随着计算流体力学和燃烧理论的发展，数值模拟等离子点火器内部燃烧流动、传热、传质、化学反应等复杂过程已成为可能。应用数值模拟的方法可以对实验难以测量的参数进行预估，而不需要大量的实验，应用数值模拟的方法来解决等离子点火器燃烧性能的分析和工程设计，有利于提高工作的可靠性和经济性。因此数值模拟方法是研究等离子点火器内部过程机制的一个重要手段。 本文针对燃烧室点火器稳态叁维湍流反应流的数值模拟进行了研究。建立了等离子点火器稳态叁维湍流反应流的数学物理模型。模拟等离子点火器内部燃烧的RNGκ-ε双方程湍流流动模型；模拟气体燃料在燃烧时中化学反应的简单化学反应系统模型；模拟等离子点火器内部湍流扩散燃烧的模型；模拟等离子点火器高温燃气及其壁面的DTRM辐射换热的模型等等，对模型进行一定的合理的简化，然后对等离子点火器内部湍流扩散燃烧流场进行了数值模拟。在数值模拟过程中，对等离子点火器的计算区域的空间离散化引哈尔滨工程大学硕士学位论文入贴体坐标系统;对于控制方程采用混合格式的差分格式进行离散;壁面处理采用壁面函数法;采用S工MPLEC算法来解决压力速度藕合问题;用多重网格法来求解离散方程。 ‘对等离子点火器进行了数值模拟，得到了各流场参数同平均混合分数，混合分数脉动均方值的关系图，等离子点火器内部温度、压力、速度、流线、密度、湍流平均脉动动能、湍流动能耗散率、湍流粘性系数、各种燃烧产物体积分数等一系列湍流燃烧流场的特性参数分布，并对这些参数分布进行了解释。还给出了不同工况下的等离子点火器流场参数的分布，并作了比较，对于实际的结构设计、改进将具有重要指导意义。关键词:等离子点火器:扩散燃烧;湍流模型;数值模拟;辐射模型
穆勇, 郑洪涛, 谭智勇, 李智明, 周春良[8]2004年在《等离子点火器叁维燃烧流场的有限速率化学反应数值模拟》文中研究说明针对等离子点火器内叁维湍流燃烧流场,采取有限速率化学反应模型,模拟其物理化学过程。湍流流动采用RNGk-ε模型,燃烧模型采用EDC涡耗散概念模型来估算化学反应速度,热电弧用等效加热区代替。数值模拟结果得出了在富燃料情况的流场特性参数和产物分布。通过对数值模拟结果的分析,实现了EDC模型对活性物质的预测,并为等离子点火器燃烧流场的进一步研究提供了一种新思路。
李志华[9]2006年在《等离子体点火器湍流扩散燃烧数值模拟分析》文中研究说明等离子体点火器是等离子体技术在动力与能源工程领域中应用而产生的一种新型点火装置。在上世纪八十年代末，等离子体点火理论并不成熟的情况下，已经开始了航空与陆用燃气轮机燃烧室点火过程中的应用。同时等离子体点火技术在电厂煤粉燃料无油点火和稳定燃烧过程及在各类高温热工设备的燃料点火和燃烧工艺中已经开始了应用。等离子体点火器的高密度能量对空气或可燃混合物进行热学作用，产生大量等离子体活性载体，使燃烧室点火的贫燃料和富燃料极限范围变宽，点火的可靠性增强。同时加速了化学反应，燃料燃烧效率提高，节约了燃料，而对燃烧室来说，燃烧的稳定性也增强了。进入等离子体点火器内的空气和雾状燃料经历的过程非常复杂，它涉及气体湍流流动、传热、传质、化学反应、辐射等过程。对描述其过程的非线性控制微分方程组，到目前还无法用解析法解出。对于燃烧设备来说，如果不能深刻理解和准确描述其工作过程，就很难将其变成更有效工作的装置。本文对等离子体点火器内燃烧过程进行了叁维模拟。对实际的几何模型，建立了非预混湍流扩散燃烧数学物理模型，给出其控制微分方程组。(1)对湍流模型，选用了标准κ-ε湍流模型，RNGκ-ε湍流模型，分别进行了模拟计算，分析和比较了速度场、湍流动能、湍动能耗散率计算结果。认为RNGκ-ε湍流模型考虑了强流线弯曲、旋涡和旋转作用，而对等离子体点火器更合适。(2)对辐射传热过程，采用了离散传播辐射(DTRM)模型和离散坐标(DO)辐射模型，分别进行了模拟计算，分析和比较了温度场、速度场和吸收系数，(DO)辐射模型给出辐射温度分布。认为在离散坐标(DO)辐射模型中考虑了碳黑颗粒的影响、散射的影响，对局部热源问题可给出更好计算方法，因此可以更好地描述实际过程。(3)运用湍流燃烧理论对等离子体点火器内湍流燃烧过程进行了分析和描述。采用局部化学平衡假设的快速化学反应系统，选定燃料、空气及中间产物共15种。将化学模型模拟出的平均混合分数、各组分的质量分数计算结果与燃烧学的基本理论相结合描述了系统燃烧化学的反应机理。(4)采用大涡模拟和亚网格尺度模型，分析了不同时刻的温度场、速度场的发展进程。(5)对等离子体点火器计算区域空间离散化引入贴体坐标系统，使用非结构化网格进行离散，用有限体积法离散控制方程，在交错的非结构化网格上使用了SIMPLE算法和SIMPLEC。对不同工况不同控制方程，使用不同离散格式。所选用的格式有：一阶迎风格式、二阶迎风格式和QUICK格式。
于婷婷[10]2012年在《连续弧等离子点火器喷嘴电弧数值模拟分析》文中指出作为燃气轮机的一种新型点火方式,等离子点火技术点火能量大、集中,并且等离子成分具有活化燃烧作用,可以提高燃气轮机点火的可靠性和浓度极限。本文的研究工作为连续弧等离子点火发生器点火喷嘴的设计提供一定的理论依据。首先,本文在电子能量平衡、化学反应平衡、状态方程、质量作用定律等方程的理论基础上列非线性方程组,求解并分析等离子体成分随温度的变化情况；根据磁流体动力学的质量守恒、动量守恒、能量守恒方程、麦克斯韦方程组以及等离子弧的放电特性建立数学分析模型,模拟分析等离子电弧的电、热和流体流动过程。其次,本文利用经典ANSYS软件进行数值模拟,采用电场、磁场和流场等多物理场耦合的方式进行计算,根据电弧的物理特性选择合适的单元类型,输入等离子体随温度变化的各个物性参数,建立简化后的几何模型施加合适的边界条件进行计算。对数值模拟得到的电弧特性参数的分布情况进行分析,如等离子弧的电流密度、电压、磁场力、磁感应强度、温度、速度等。考察自感应磁场产生的磁场力对等离子体温度、速度分布的影响,并对其结果进行对比分析。为了得到高温、高速、电弧长度足够长的电弧和最大限度的延长电极寿命,本文考察等离子点火器工作电流、入口空气流速、点火器喷嘴的阴极内缩量、电弧出口通道的直径和电弧出口通道的长度等对等离子弧特性的影响,优化设计一种合适的点火器喷嘴。最后,本文为实现获得强刚性、高温度等离子弧的目的,采用磁引弧、磁压缩弧的方法,在原等离子弧的基础上施外加磁场,希望磁场对带电粒子的运动产生一定的影响。本文采用不同的磁场施加方式和施加不同的磁场强度大小进行数值模拟,并对结果进行比较分析。
参考文献：
[1]. 等离子点火器燃烧流场的数值模拟[D]. 包吉威. 哈尔滨工程大学. 2003
[2]. 等离子点火器出口点火能量数值模拟分析[D]. 孔凡杰. 哈尔滨工程大学. 2007
[3]. 等离子点火器燃烧流场数值与实验研究[D]. 冀光. 哈尔滨工程大学. 2006
[4]. 等离子点火器性能研究[D]. 高德春. 哈尔滨工程大学. 2008
[5]. 横向来流对等离子点火器点火区域的影响[D]. 吴曙亮. 哈尔滨工程大学. 2009
[6]. 等离子点火器叁维燃烧流场数值模拟[D]. 穆勇. 哈尔滨工程大学. 2005
[7]. 发动机点火器燃烧流场的数值模拟[D]. 赵仕厂. 哈尔滨工程大学. 2004
[8]. 等离子点火器叁维燃烧流场的有限速率化学反应数值模拟[J]. 穆勇, 郑洪涛, 谭智勇, 李智明, 周春良. 汽轮机技术. 2004
[9]. 等离子体点火器湍流扩散燃烧数值模拟分析[D]. 李志华. 哈尔滨工程大学. 2006
[10]. 连续弧等离子点火器喷嘴电弧数值模拟分析[D]. 于婷婷. 哈尔滨工程大学. 2012
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