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中心分级旋流燃烧器中一氧化碳生成特性
CO Formation Characteristics in a Centrally Staged Swirl Combustor
1. 主要摘要
本研究利用验证过的数值模拟方法，研究了中心分级旋流燃烧器在典型工况下的燃烧流场和一氧化碳（CO）的生成特性。通过湍流扩散燃烧模型（EDC），分析了不同区域内的CO生成反应路径。结果表明，CO生成主要发生在火焰前沿，并迅速氧化为CO₂；在高温区，部分CO₂分解形成CO。此外，冷却空气膜的熄火效应显著影响了CO的氧化，使CO未完全反应而增多。该研究为低排放燃烧室设计提供了技术支持。
2. 引言
为应对日益严格的污染物标准，燃气轮机设计逐渐从注重性能转向兼顾低排放。中心分级燃烧技术通过分隔燃烧器内燃烧区域并引入冷却空气膜以保护内衬壁面，但此冷却空气的熄火效应会抑制CO氧化。研究CO的生成和排放特性对优化燃烧室设计具有重要意义。本研究通过数值模拟技术，深入分析了中心分级旋流燃烧器中的CO生成和消耗路径。
3. 主要内容
研究对象为燃烧甲烷的中心分级旋流燃烧器，采用同轴式双旋流设计，包括引导火焰的中心喷嘴和外部主燃烧通道。燃烧器壁面设有冷却孔，形成空气膜保护，燃料和空气在燃烧器内分两阶段供给，燃料在内腔中混合燃烧以控制燃烧温度。
使用FLUENT软件中的标准k–ε湍流模型模拟燃烧室的流场，结合EDC模型和详细的化学反应机制（GRI-Mech 3.0）模拟化学反应。网格独立性测试表明，在主燃区使用1 mm的网格能够在保证计算精度的前提下稳定模拟流场。
使用可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS）测量燃烧室内的温度和H₂O浓度，与数值模拟结果对比，验证了数值方法的合理性，确保其适用于后续的燃烧模拟分析。
在燃烧条件下，燃烧室内的气流速度增加，旋流效应增强，中心回流区的长度明显减小。旋流效应在中心区域形成低速区，有助于火焰稳定。
数值模拟表明，CO在火焰前沿生成，在后燃区迅速氧化为CO₂。高温区的CO₂在一定条件下部分解离为CO，这一现象在燃烧室出口处形成高CO排放量。
在主燃区，反应路径R168（HCO + O₂ ⇔ HO₂ + CO）是主要的CO生成途径，其他反应路径（如R23、R166和R167）在高温区也对CO的生成起重要作用。
在壁面附近的冷却空气膜区域，冷空气的稀释效应显著降低了局部温度，导致CO氧化反应减弱。由于反应路径R168的低活化能，该区域CO生成速率显著增加，但其他反应速率降低。
CO的生成主要通过HCO反应物完成，反应路径R168、R167和R166的活化能较低，使其在较低温度下仍保持较高的反应速率。实验与模拟表明，OH的生成对HCO和CO的形成起重要作用。
反应路径R99（OH + CO ⇔ H + CO₂）是CO氧化的主要反应，受温度影响较大。冷却空气的稀释效应会降低R99的反应速率，导致CO氧化不完全，增加了燃烧室出口的CO浓度。
4. 主要结论
1. CO在火焰前沿生成并在后燃区迅速氧化，但在高温下CO₂会分解成CO，从而增加CO排放。
2. 反应路径R168在低温下的CO生成贡献显著，而R99是CO氧化的主要路径，温度降低显著影响其反应速率。
3. 冷却空气膜的熄火效应导致CO氧化受阻，尤其在壁面区域的CO生成速率提升，导致该区域CO浓度升高。
4. 为减小CO排放，应优化冷却空气膜的倾角，以减少冷空气对主气流的稀释效应。
5. 主要结果图
6. 参考文献
一区TOP期刊《Energy》— CFD-DEM模拟分析水力压裂工程中的两相流动问题
一区TOP期刊《Separation and Purification Tech》—新型非对称双室电化学反应器的设计与性能评估
一区TOP期刊《Chemical Engineering Journal 》—COMSOL模拟冲击波电渗析过程中的关键参数
一区TOP期刊《Chemical Engineering Journal 》—PBI膜的形态调控及其在锂金属电池中的性能提升
一区TOP期刊《Chemical Engineering Journal 》—COMSOL模拟煤泥微波加热过程
一区TOP期刊《Energy》—CFD-DEM耦合模拟颗粒高速自旋和热传递的规律
一区TOP期刊《Energy》—ANSYS与COMSOL电磁-热耦合模型对比分析
一区TOP期刊《Computers and Geotechnics》— 三维耦合MPM模拟隧道面在水力-机械作用下的坍塌机制
一区TOP期刊《Energy》— COMSOL模拟考虑沉积压缩效应的天然气水合物降压开采储层物理和力学特性的演变
一区TOP期刊《Energy》— VOF-DEM耦合模拟气-液-固多相流混合过程中的传质
一区TOP期刊《Energy》— CFD-DEM模拟颗粒在页岩孔隙中堵塞问题
一区TOP期刊《Energy》— 高剪切流动的 CFD-DEM 数值模拟方法
一区TOP期刊《Energy》— 超临界 CO2热泵系统扁管气体冷却器结构分析与优化
