1、SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能No.042023ENERGY SAVING FORUMSHANGHAI ENERGY CONSERVATION上海节能No.082018收稿日期：2022-11-01基金项目：上海市科委项目“燃油锅炉脱硝新技术研究”（16dz1206305）作者简介：王雪（1998-12-），女，硕士研究生，主要从事燃烧污染控制、湍流燃烧仿真模拟的研究安恩科（1962-09-)，男，教授，博士生导师，主要从事燃油无焰燃烧技术、多炉型能源站节能调度技术研究董沛（1999-03-），男，硕士研究生，主要从事燃油无焰燃烧技术研究不同雾化角燃油超低NOx燃烧器的大
2、涡模拟王雪安恩科董沛同济大学 机械与能源工程学院摘要：采用大涡模拟方法分析不同雾化角对旋流非预混燃油低NOx燃烧器燃烧性能的影响。在充分燃尽的基础上，进行收敛性研究，对比分析两工况的温度场、速度场以及污染物排放情况，结果表明：大雾化角压力频谱低频段信息增加，燃烧室压力振荡强度增强，更易发生燃烧不稳定现象；雾化角的增大使得火焰集中分布在射流锥内侧，角回流区极少有火焰分布；大雾化角使得燃油径向雾化效果增强，轴向刺透深度减小，导致着火点提前，燃烧反应速率增大，使得炉膛最高温度升高，导致污染物排放水平升高。关键词：大涡模拟；雾化角；燃油燃烧器；NOxDOI:10.13770/ki.issn2095-7
3、05x.2023.04.011Large Eddy Simulation of Fuel Ultra Low NOx Burnerswith Different Atomization AnglesWANG Xue,AN Enke,DONG PeiSchool of Mechanical and Energy Engineering,Tongji UniversityAbstract:Using large eddy simulation method to analyze the effect of different atomization angles on the com-bustio
4、n performance of a low NOx swirl non premixed fuel burner.On the basis of sufficient burnout,conductconvergence research and compare and analyze the temperature field,velocity field,and pollutant emissionsunder two operating conditions.The results show that the low-frequency information of the press
5、ure spectrumat high atomization angle increases,and the intensity of combustion chamber pressure oscillation increases,making it more prone to combustion instability;The increase in atomization angle causes the flame to be con-456SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能No.042023SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能SHANGHAI
6、ENERGY SAVING2023年第 04 期SHANGHAI ENERGY CONSERVATION上海节能 ENERGY SAVING FORUMSHANGHAI ENERGY SAVING2018 年第 08 期ENERGY SAVING FORUMSHANGHAI ENERGY CONSERVATION上海节能No.0820180 引言燃油超低NOx燃烧器的燃烧过程是复杂的湍流两相流动，众多因素影响着其稳定燃烧，其中燃油雾化角作为重要的参数对燃油燃烧稳定性有着重要的影响。对此问题的研究也由来已久，尕永婧等1针对液氧/煤油火箭发动机模型燃烧室进行了三维非稳态两相燃烧过程的数值模拟，并研
7、究了液氧和煤油喷嘴雾化角对燃烧室压力振荡的影响，研究表明，当雾化角为40 或120，即燃料与氧化剂喷雾锥重叠区域较小或较大时，推进剂混合很差或很好，致使燃烧室压力振荡强度较弱；而当雾化角处于中间值65 时，易于出现爆炸性可燃气团并导致剧烈的压力振荡，出现燃烧不稳定情况。孙慧娟等2等人研究了雾化锥角对蒸发的喷雾液滴群在横流气体中掺混特性的影响，寻求强化掺混和提高温降效果的雾化锥角，研究表明，随着雾化锥角的增大，温降效果提高，掺混度在雾化锥角90 时达到最大值，继续增大雾化锥角，掺混度降低。小雾化锥角时产生对称多涡对结构，在一定区域内促进掺混，而较大雾化锥角时产生混乱的多尺度涡结构，有利于整个掺混
8、截面的温度均匀分布。吴逸凡3对微型燃气轮机燃烧室燃油高压喷射雾化性能进行了研究，提出若雾化锥角过大，则大量液滴可能会越过中心强湍流区，使得混合变差，燃烧效率降低，同时还容易造成液滴挂壁燃烧，发生结焦和积碳；若雾化锥角过小，则会导致液滴无法均匀分布到整个燃烧室空间内，使得混合变差，燃烧效率降低。经过多重方案对比，确定喷射偏转角为812，单孔雾化角为1016，总体雾化锥角为3036 时，燃油雾化形态较好。朱亚君4对单旋流贫油直喷燃烧室油气分布影响因素进行探究，针对旋流数以及雾化锥角进行冷热态模拟，提出热态情况下，雾化锥角对于空气速度的影响可忽略，即表明在小的雾化锥角差值的条件下，燃油喷出后对空气的
9、作用影响较小，主要取决于旋流强度的影响；而冷态条件下，大的雾化角使得燃油在空间有更大范围的散布，由此，在喷嘴出口附近的锥形散布区域，燃油质量分数会相对较低，雾化效果会更好，但雾化锥角不宜过大，防止出现燃油碰壁现象。1 燃油超低NOx燃烧器的数值模拟方法1.1 物理模型以4 t/h燃油锅炉的十分之一缩尺模型为计算模型，炉膛尺寸为5 mm320 mm，锅炉额定热负荷为0.014MW。燃油采用0号轻柴油，配风方式为旋直流配风，工况配风采用的是30%烟气空气混合物。旋流风管由20片旋流数为1.2的旋流叶片组成5。两工况的旋流器均设置在出口，模型、网格划分均保持一致，模型图见图1、图2。图 1 十分之一
10、缩尺模型图 2 模型剖面图centrated and distributed inside the jet cone,and there is very little flame distribution in the corner reflux zone.The large atomization angle enhances the radial atomization effect of fuel,reduces the axial penetration depth,leads to an earlier ignition point,increases the combustion
11、reaction rate,and increases the maximum tempera-ture of the furnace,leading to an increase in pollutant emission levels.Key words:Large Eddy Simulation;Atomization Angles;Fuel Burner;NOx不同雾化角燃油超低NOx燃烧器的大涡模拟457SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能No.042023ENERGY SAVING FORUMSHANGHAI ENERGY CONSERVATION上海节能No.08
12、20181.2 网格划分模拟的计算域包括燃烧器进口段、旋流器和炉膛等部分。炉膛中轴线附近采用三棱柱非结构网格，其余部分采用六面体网格，总体结构网格占比95%左右。网格纵剖面图如图3所示。对燃烧器以及炉膛区域都进行了网格加密处理。如图 4 所示。轴向、周向、径向的最小网格尺度为0.1 mm，最大网格尺寸为1.3 mm，网格总数为510万。文献6进行了相关网格无关性验证，此处不再赘述。图 3炉膛网格纵剖面图图 4炉膛前半段网格加密处理1.3 计算模型两个工况设置分别是30%烟气+60 雾化角以及30%烟气+30 雾化角（以下简写成“工况1”、“工况2”）。湍流模型采用Smagorinsky-Lil
13、ly LES模型，辐射模型采用P1，燃烧模型采用非预混反应进度变量火焰面模型，壁面方程采用 Scalable WallFunctions，反应机理为正庚烷的 68 步反应机理7。压力和速度耦合采用COUPLED算法，标量求解时选择二阶上风差分格式。时间步长为，每个时间步长迭代20步。进口30%烟气组分表如表1所示。烟气工况的进出口条件参数按照表2进行设置。表1 30%入口烟气各组分质量分数表组分N2O2H2OCO2质量分数76.54%16.08%4.66%2.72%表 2 烟气工况进出口条件入口参数旋流入口风速（m/s）直流入口风速（m/s）烟气入口温度（K）燃油质量流量（kg/h）燃油温度（
14、K）雾化角（）数值9.224.61310.1551.2533060或302 结果与分析2.1 收敛性及压力分析大涡模拟的收敛性判断，以文献 8 提出以贯通时间作为LES收敛的判定条件，贯通时间按照下式计算。式中，计算域总长，m；进口主流速度，。当计算域的实际时间（时间步长与时间步数的乘积）达到3至5个贯通时间后，LES的各项统计数据不再受初始化的影响。计算得到两个工况的单个贯穿时间均为45 ms，划分出五个贯穿时间，从第二贯穿时间开始采集数据，并且对各个贯穿时间压力进行FFT分析，如图5、图6所示。对两个工况的热态计算均设置了相同位置的监测点，各点坐标见表3。表 3 监测点坐标监测点P1-ji
15、aoP2-middle1P3-middle2P4-behind1P5-behind2X坐标（mm）13.578.5166.5246.5319.5Y坐标（mm）38.50000Z坐标（mm）00000从图5、图6两工况频域曲线可以看出，30 雾化角工况的压力最高谱峰对应的幅值分别是27.9、458SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能No.042023SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能SHANGHAI ENERGY SAVING2023年第 04 期SHANGHAI ENERGY CONSERVATION上海节能 ENERGY SAVING FORUMSHANGH
16、AI ENERGY SAVING2018 年第 08 期ENERGY SAVING FORUMSHANGHAI ENERGY CONSERVATION上海节能No.082018图 5 30雾化角工况频域曲线图 6 60雾化角工况频域曲线不同雾化角燃油超低NOx燃烧器的大涡模拟459SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能No.042023ENERGY SAVING FORUMSHANGHAI ENERGY CONSERVATION上海节能No.08201821.7、12.7 Pa和16.9 Pa，最高谱峰对应的频率依次为493、600、489 Hz和378 Hz。60 雾化角工况的压力最高谱峰对应的幅值分别是 27.5、10.2、13.8 Pa 和 45.5 Pa，最高谱峰对应的频率依次为511、555、355 Hz和202 Hz。随着燃烧的进行，各个贯穿时间的主频都是先增加再减小的规律，雾化角的增大使得频率下降的幅度增大，使得 60 雾化角在低频段（250 Hz 以下）频谱所含信息量越来越丰富，且谱峰幅值达到了45量级附近。说明雾化角的增大使得燃烧不稳定性增强9。从图7、