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等离子点火器性能研究

作　者: 高德春
导　师: 郑洪涛
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 动力机械及工程
关键词: 等离子点火器射流火焰燃烧流场数值模拟
分类号: TK473
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
下　载: 117次
引　用: 2次
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内容摘要

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。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
第1章绪论  12-21
  1.1 研究目的及意义  12-14
  1.2 国内外研究现状  14-19
    1.2.1 国外等离子点火技术的应用情况  14-16
    1.2.2 国外燃烧理论的发展以及数值模拟的应用  16-18
    1.2.3 国内等离子点火技术的应用和研究  18-19
  1.3 本文的主要研究内容  19-21
第2章燃烧的基本概念  21-29
  2.1 化学反应速率  21-22
  2.2 动力学近似  22-24
    2.2.1 准稳态近似  22-23
    2.2.2 局部平衡近似  23-24
  2.3 链锁反应理论  24-26
  2.4 典型氧化反应机理  26-28
    2.4.1 一氧化碳的氧化机理  26-27
    2.4.2 烷类和烯类碳氢化合物的氧化机理  27-28
  2.5 本章小结  28-29
第3章数学物理模型  29-51
  3.1 基本控制方程  29-30
  3.2 湍流流动模型  30-33
    3.2.1 标准k-ε双方程模型  31-32
    3.2.2 重正化群RNG k-ε双方程模型  32-33
  3.3 湍流燃烧模型  33-41
    3.3.1 简单化学反应系统  34
    3.3.2 快速反应的假定  34-35
    3.3.3 混合分数  35-36
    3.3.4 湍流扩散火焰模型  36-38
    3.3.5 简单的概率密度分布函数  38-41
  3.4 离散项模型  41-50
    3.4.1 随机轨道模型  42-44
    3.4.2 喷雾模型  44-46
    3.4.3 液滴的蒸发  46-48
    3.4.4 液滴破碎模型  48-50
  3.5 本章小结  50-51
第4章数值求解方法  51-63
  4.1 方程的离散  51-55
    4.1.1 常用的离散格式  52-54
    4.1.2 源项的处理  54-55
  4.2 SIMPLE方法  55-57
  4.3 多重网格法  57-60
  4.4 松弛法  60-62
  4.5 本章小结  62-63
第5章等离子点火器燃烧流场的数值模拟  63-93
  5.1 几何模型和工况  63-66
  5.2 非预混燃烧的预处理  66-67
  5.3 点火器燃烧流场的参数分布及分布  67-80
    5.3.1 对称面上平均混合组分(f|-)分布  67-68
    5.3.2 对称面上温度场分布  68-69
    5.3.3 对称面上速度场分布  69-70
    5.3.4 对称面上静压分布  70-71
    5.3.5 对称面上密度分布  71
    5.3.6 对称面上湍动能和湍流耗散率的分布  71-72
    5.3.7 对称面上液态C_7H_(16)浓度分布  72-73
    5.3.8 对称面上氧气体积分数分布  73-74
    5.3.9 对称面上C_7H_(16)、CH_4和H_2的体积分数分布  74-76
    5.3.10 对称面上CO和CO_2的体积分布  76-77
    5.3.11 对称面上水和氮气的体积分数分布  77-78
    5.3.12 对称面上H、O、OH的体积分数分布  78-80
  5.4 点火器点火参数分析(方案一)  80-83
    5.4.1 等离子点火器点火能量的简单介绍  80-81
    5.4.2 点火器出口温度和速度分布  81-82
    5.4.3 点火器出口物质摩尔分数分布  82-83
    5.4.4 点火器射流火焰随过量空气系数的变化  83
  5.5 点火器点火参数分析(方案二)  83-88
    5.5.1 点火器出口温度和速度分布  84-85
    5.5.2 点火器出口物质摩尔分数分布  85
    5.5.3 点火器射流火焰随过量空气系数的变化  85-86
    5.5.4 点火器的点火参数随进气压力差的变化  86-88
  5.6 点火器阳极随过量空气系数的变化趋势  88-92
    5.6.1 方案一  88-90
    5.6.2 方案二  90-92
  5.7 本章小结  92-93
结论  93-95
参考文献  95-101
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  101-102
致谢  102

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