低排放燃燒室燃燒性能和污染排放預(yù)測模型研究動力機械及工程專業(yè)論文.

承諾書本人聲明所呈交的碩士學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進 行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特別加以標注和 致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研 究成果，也不包含為獲得南京航空航天大學(xué)或其他教育機構(gòu) 的學(xué)位或證書而使用過的材料。本人授權(quán)南京航空航天大學(xué)可以將學(xué)位論文的全部或部 分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描 等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。（保密的學(xué)位論文在解密后適用本承諾書）作者簽名：日 期：萬方數(shù)據(jù)萬方數(shù)據(jù)南京航空航夭大學(xué)碩士學(xué)位論文摘要為了能夠快速準確的預(yù)測燃氣輪機燃燒室燃燒性能以及污染排放特性木文結(jié)合CFD模擬 結(jié)果，發(fā)展了一種能相對準確預(yù)測排放，計算雖相對較小的化學(xué)反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)模型（CRN）方法。首先，本文簡單介紹了化學(xué)反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)模型的發(fā)展和國內(nèi)外主要研究現(xiàn)狀，并且介紹了組 成化學(xué)反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)模型所用到的化學(xué)反應(yīng)器，詳細描述了它們的概念、原理、求解方法和使用 特點以及其在理論上的計算依據(jù)。其次，本文采用Visual Studio 2010作為開發(fā)環(huán)境，采用.Nel Framework 4.0和C#為開發(fā)語言，設(shè)計并編寫了污染排放預(yù)測程序，簡單描述了該程序的框架結(jié) 構(gòu)，并將程序的主要功能和內(nèi)部類的實現(xiàn)方法進行了簡介。接下來對某貧油預(yù)混預(yù)蒸發(fā)（LPP）燃燒室進行了數(shù)值模擬，并對模擬結(jié)果中流場、溫度 場以及一些對NOx排放影響比較大的局部區(qū)域進行了詳細分析，將該燃燒宅劃分為不同的特征 區(qū)域，運用不同的反應(yīng)器構(gòu)建化學(xué)反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)模型。運用構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)模型采用口編程設(shè)計程序 在不同工況下進行模擬計算，將模擬結(jié)果和實驗結(jié)果進行對比，兩者吻合得很好。最后，利用 該化學(xué)反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)模型研究了進口空氣溫度、主級燃油雖以及值班級燃油雖對燃燒室出口溫度 以及出口污染排放特性的影響，模擬獲得了較合理的變化趨勢。通過對模擬結(jié)果的分析，可以看岀化學(xué)反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)模型對NOx排放進行了合理的預(yù)測.證 明了該方法在預(yù)測燃燒室出口NOx排放方面是可行的。運用網(wǎng)絡(luò)模型方法預(yù)測NOx排放不僅能 縮短燃燒宅設(shè)計周期，還能夠有效的減少試驗次數(shù)，為低污染燃燒宅的初步設(shè)計以及優(yōu)化設(shè)計 提供有價值的指導(dǎo)。關(guān)鍵字：貧油預(yù)混預(yù)蒸發(fā)，低污染燃燒室，化學(xué)反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)模型，污染排放預(yù)測.燃燒性能萬方數(shù)據(jù)ABSTRACTTo be able to quickly and accurately assess combustion performance and emission characteristics of gas turbine combustor, this paper develops chemical reactor network model method (CRN) based on CFD simulation results, a low computational eftort modeling method, which can accurately predict emission.Firstly, it takes a review the development and the main research status of chemical reactor network model. It also introduces chemical reactors which can constitute chemical reactor network model and describes the concepts, principles, solving methods, use characteristics and calculation basis of chemical reactors in detail. Moreover, the pollution emission prediction program is designed and written with Visual Studio 2010 as the development environment and using .Net Framework 4.0 and C as development language. It describes the frame structure of the program, the main function of the program and the realization method of the inner class.And then, a Lean Premixed Prevaporized (LPP) low emission combustor is studied by using numerical simulation. The flow field and temperature field of the simulated results and some regions where afiect NOX emissions relatively large are detailed analyzed. The space in the combustor is divided into several di ft erent subspaces based on CFD results and different subspaces adopt dificrcnt chemical reactors. The chemical reactor network model is build using these chemical reactors. The chemical reactor network method is used to simulate combustion processes and calculate emissions using the pollution emission prediction program. Their simulated results are reasonable when they are compared to experimental data. At the last, the influence of inlet air temperature and amount of primary fuel and pilot fuel on temperature and emissions arc analyzed. The trends arc reasonable.The analysis of the simulation results show that NOx emission is predicted reasonably using chemical reactor network method. This paper draws the conclusion that chemical reactor network method is feasible in predicting NOx emissions of gas turbine combustor. The chemical reactor network method can not only shorten the design cycle of gas turbine combustor, but also effectively reduce test times. It can provide useful guidance for the preliminary design and the optimal design of the low emission combustor.Keywords： Lean Premixed Prevaporized (LPP), Low emission combustor, chemical reactor network model, pollution emission prediction, combustion performance目錄第一章緒論11研究背景11.2低污染燃燒室2121貧油預(yù)混預(yù)蒸發(fā)（LPP）燃燒室21-2.2貧油直接混合（LDM）燃燒室31.2.3變兒何（VGC）燃燒室41-2.4富燃.猝熄.貧燃（RQL）燃燒室41.3國內(nèi)外污染排放預(yù)測方法概述51.3.1經(jīng)驗?zāi)Ｐ头?1.3.2半經(jīng)驗?zāi)Ｐ头?1.33計算流體力學(xué)方法71.3.4網(wǎng)絡(luò)法71.4研究目的和研究內(nèi)容81.4.1研究目的81.4.2研究內(nèi)容9第二章化學(xué)反應(yīng)器模型102.1完全混合反應(yīng)器（PSR模型102.1.1 概述102.1.2 一般方程112.2柱塞流反應(yīng)器（PFR）模型132.2.1 概述132.2.2 一般方程132.3部分混合反應(yīng)器（PaSR）模型142.3.1 概述142.3.2聯(lián)合概率密度函數(shù)152.3.3 一般方程162.4本章小結(jié)17第三童污染排放預(yù)測平臺的程序結(jié)構(gòu)設(shè)計183基本信息18iii3.2 CombuslionAnalysis 項目結(jié)構(gòu)19321 FormMain 類193.2.2 FormCRNBuildcr 類203.23 FormCRNBuildcrTools 類21324 FormCRNBuildcrPropcrtics 類 213.2.5 FormCRNBuildcrDoc 類233-2.6圖形組件交互相關(guān)設(shè)計263.3 Chemical 項目結(jié)構(gòu)283.3.1 IdcalGasPhase 類293.3.2 GasKinctics 類293.3.3 Reactor 類303.3.4 ReactorNct 類303.4 CRN網(wǎng)絡(luò)圖形界面定義操作說明313.5本章小結(jié)34第四章CRN網(wǎng)絡(luò)模型建模分析354.1燃燒室結(jié)構(gòu)354.2 LPP燃燒室數(shù)值模擬結(jié)果分析364.2.1計算工況364.2.2 LPP燃燒宅兒何建模及網(wǎng)格劃分374.2.3 CFD數(shù)值模擬結(jié)果分析384.2.4 DamkBhlcr(Da)數(shù)的定義394.3燃燒室NOx的生成機理 404.3.1 NOx的主要生成機理404.3.2影響NOx生成的主要因素 414.4本章小結(jié)44第五章LPP燃燒室的模擬455.1運行參數(shù)和實驗結(jié)果455.2燃燒室的初步模擬及其結(jié)果分析455.2.1初步網(wǎng)絡(luò)模型的駿證465.3 CRN網(wǎng)絡(luò)模型的優(yōu)化建模分析475.3.1噴嘴出口附近區(qū)域的模擬分析475.3.2中間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的模擬分析48iv5.3.3尾部摻混區(qū)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的模擬分析495.4 CRN網(wǎng)絡(luò)模型的優(yōu)化建模495.4.1 CRN網(wǎng)絡(luò)模型驗證 505.5 CRN網(wǎng)絡(luò)模型模擬分析515.5.1進口空氣溫度對污染物NOx的影響515.5.2主級燃油雖對污染物NOx的影響 525.5.3值班級燃油雖對污染物NOx的影響 535.6本章小結(jié)53第六童總結(jié)與展望556本文工作總結(jié)556.2后期工作展望56參考文獻57致謝62攻讀碩士期間發(fā)表的論文63圖表清單圖1. 1貧油預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒方式3圖1.2貧油直接混合燃燒方式4圖1. 3富燃.猝熄貧油燃燃燒方式5圖3.1本程序的項目組成【8圖 3. 2 Combustion Analysis 項目結(jié)構(gòu)概圖19圖3. 3反應(yīng)器設(shè)計工具21圖3.4 PSR反應(yīng)器屈性定義 22圖3. 5進口邊界條件屈性定義22圖3. 6帶有組分定義屈性欄的單元屈性定義22圖3. 7化學(xué)反應(yīng)機理維護界面24圖3. 8圖形交互組件26圖3. 9 PSR的缺省狀態(tài)27圖3. 10反應(yīng)機理解鄴器28圖3. 11反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)29圖3. 12程序主界面31圖3. 13新建的空CRN模擬器界而32圖3. 14通過雙擊左側(cè)對應(yīng)的單元構(gòu)成的基本反應(yīng)器單元32圖3. 15帶有進口和出口的PSR反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)33圖3. 16對燃料入口進行組分定義33圖3. 17對空氣入口的流雖比例進行定義34圖3. 18達到平衡的出口溫度的輸出34圖4. 1 LPP燃燒空結(jié)構(gòu)示意圖35圖4. 2 TAPS/MLDI燃燒室頭部示意圖35圖4. 3 TAPS/MLDI燃燒室頭部側(cè)視圖35圖4. 4 TAPS/MLDI燃燒室頭部前視圖36圖4. 5 TAPS/MLDI燃燒室頭部后視圖36圖4.6LPP燃燒室?guī)缀谓Y(jié)構(gòu)圖37圖4.7LPP燃燒宅計算網(wǎng)格圖38圖4.8Z=O截面計算網(wǎng)格圖38圖4. 9燃燒室中心截面溫度分布云圖38圖4. 10燃燒室中心截面速度流線圖39圖4. 11燃燒宅中心截面速度欠圮圖39圖4. 12 Da數(shù)與湍流雷諾數(shù)關(guān)系圖40圖4. 13燃燒室壓力對NOx排放的影響 42圖4. 14燃燒宅進口溫度對NOx排放的影響 43圖4. 15液體燃料混合均勻性對NOx排放的影響 43圖4. 16燃燒區(qū)停留時間對NOx排放的影響 44圖5. 1燃燒室初步分區(qū)示意圖46圖5. 2初步網(wǎng)絡(luò)模型示意圖46圖5.3出口溫度對比（初步網(wǎng)絡(luò)模型）46圖5.4出口 NOx對比（初步網(wǎng)絡(luò)模型）46圖5. 5燃燒室中心截面NO質(zhì)址分數(shù)分布云圖47圖5. 6當雖比分布云圖48圖5. 7燃燒室區(qū)域劃分49圖5. 8化學(xué)反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)50圖5.9出口溫度對比（優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)模型）50圖5. 10出口 NOx對比（優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)模型）50圖5. I】進氣溫度對反應(yīng)器內(nèi)溫度的影響51圖5. 12進氣溫度對NOx和出口溫度的影響51圖5. 13總當魚比對反應(yīng)器內(nèi)溫度的影響52圖5. 14總當雖比對NOx和出口溫度的影響52圖5. 15總當雖比對反應(yīng)器溫度的影響53圖5. 16總當雖比對NOx和出口溫度的彩響53表4. 1計算工況37表5.1燃料和空氣的進口參數(shù)45表5. 2實驗結(jié)果45vii注釋表A(m2)面積PDF槪率密度函數(shù)CRN化學(xué)反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)模型PFR柱塞流反應(yīng)器CO一氧化碳PRZ中心回流區(qū)UHC未燃碳氫燃料P(Pa)壓力CRZ角回流區(qū)R回流比例Cp定壓比熱RQL富油燃燒猝島貧油燃燒Da達姆科勒數(shù)SIMPLE求解壓力耦合方程的半隱方法El排放指數(shù)TAPS雙環(huán)預(yù)混旋流h焙T(K)溫度humFact濕度因子U(J)內(nèi)能j反應(yīng)器序號V(m3)體積k湍流動能VGC變兒何燃燒宅K*氣相物質(zhì)種類CO摩爾速率LDI燃油直接噴射w分子雖LPP貧油預(yù)混預(yù)蒸發(fā)Y質(zhì)址分數(shù)LDM貧油直接混合p (kg/m3)密度LP貧油預(yù)混chirm化學(xué)反應(yīng)時間MIX氣體混合器Tflo*特征流動時間MLD1多點燃油直接噴射U軸向速度m(kg/s)質(zhì)雖流率耗散率PSR全混反應(yīng)器N反應(yīng)器總數(shù)縮略詞縮略詞英文全稱LPPLean Premixed PrevaporizedLPLean PremixedVGCVariable Geometry CombustorLDMLean Direct MixingLDILean Direct InjectionRQLRich bum-Quench-LeanCRNChemical Reactor NetworkPRZPrimary Recirculation ZoneCRZComer Recirculation ZonePSRPerfectly Stirred ReactorPaSRClosed Partially Stirred ReactorPFRPlug Flow ReactorMIXNon-Rcactive Gas Mixer第一章緒論1.1研究背景由于我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，隨著人們環(huán)保意識的逐漸提高，我國而臨的能源問題以及環(huán)境 問題日益突出。提高能源效率，控制污染物排放，改善社會環(huán)境質(zhì)址對保持經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展起 著至關(guān)重要的作用。我國“十二五”規(guī)劃綱要曾明確提出要加大環(huán)境保護力度，嚴格控制二氧 化硫、氮氣化物等污染物的排放。燃氣輪機作為重要的能源轉(zhuǎn)化設(shè)備，自上肚紀五十年代開始就得到了廣泛應(yīng)用，隨著世界 經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，其相關(guān)技術(shù)也得到了快速發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大。由于燃氣輪機具 有體積小、重雖輕、啟動快以及工作循環(huán)簡單等優(yōu)點，在航空方面也得到了廣泛的應(yīng)用，但是 由于E機飛行高度幾乎接近平流層，因此航空發(fā)動機的NOx排放對臭氧層的破壞力度極大，同 時飛機尾氣也成為髙空大氣污染物的最主要來源卜叫為此國際民航組織曾4次修改民用航空發(fā) 動機污染排放標準，嚴格控制NOx的排放。燃燒宅作為燃氣輪機的重要組成部分。因其長期工作在高溫、高壓環(huán)境下，工作環(huán)境極其 惡劣，燃燒室同時也決定了燃氣輪機的壽命。與此同時，燃燒室又是主要污染物產(chǎn)生的地方， 因此燃燒宅的設(shè)計及英內(nèi)部的燃燒狀況直接影響到燃氣輪機的性能和排放。由于人們環(huán)保意識 的増強.燃燒空出口污染排放問題得到了越來越多的重視。怎么通過控制污染物的生成，使燃 燒效率以及污染物的排放雖都能達到相對最佳，是如今燃燒室設(shè)計工作中必須要而對的一個難 題。航空發(fā)動機一般使用航空煤油等清潔燃料，這些燃料的含硫雖和含塵雖都比較低，因此排 氣中SO2和煙塵含雖比較低。因此降低NOx的排放雖是發(fā)展高性能航空發(fā)動機技術(shù)的一個重要 目標。由于NOx是在燃料燃燒過程中產(chǎn)生的，因此，當前對污染物控制技術(shù)的研究主要是對燃 燒宅的燃燒環(huán)節(jié)進行優(yōu)化。為了在提高燃燒效率的同時不增加污染物排放，就必須充分了解燃燒宅內(nèi)燃燒及污染排放 情況。但由于燃燒流動測試的成木奇，技術(shù)難度大，因此采用數(shù)值模擬的方法對燃燒宅內(nèi)燃燒 流動進行研究得到了極大的重視。在燃氣輪機燃燒室的數(shù)值分析中，一般運用比較成熟的商用 軟件Fluent進行分析。但是由于傳統(tǒng)的Fluent模擬方法在污染物排放的預(yù)測準確性、計算時間 方而存在不足，因此，化學(xué)反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)模型（CRN）方法應(yīng)運而生。該方法與傳統(tǒng)的Fluent數(shù) 值模擬方法相比有以下兒個優(yōu)點：1）在計算時間上較Fluent方法小幾個數(shù)雖級：2） CRN網(wǎng)絡(luò) 模型方法不受計算時間及軟件的限制，可運用詳細的化學(xué)反應(yīng)機理進行求解：3）由于CRN方 法在模擬過程中可以使用詳細的化學(xué)反應(yīng)機理，在預(yù)測污染物排放方面較Fluent數(shù)值模擬方法 更準確。1.2低污染燃燒室目前，燃氣輪機燃燒室可分為常規(guī)燃燒室和低污染燃燒室。常規(guī)燃燒宅控制污染物排放的 困難主要由于各種污染物受工作條件的影響及它們的形成機理各不相同，因此，控制污染物排 放的措施難以折衷。比如，傳統(tǒng)的燃燒室一般采用向燃燒室內(nèi)噴水的方法來降低燃燒區(qū)溫度， 從而達到降低NOx的目的。這種方法雖然能夠降低NOx排放址.但可能會導(dǎo)致CO和UHC151 的排放雖增加。其實降低NOx排放的核心措施就是保證燃燒區(qū)的當雖比以及局部當雖比在任何 工況條件下都是均勻的。同時，在燃料能夠穩(wěn)定燃燒的范圍內(nèi)，保證有兩個低NOx排放區(qū)間， 一個為貧油燃燒區(qū)，一個為富油燃燒區(qū)。依照上述思路.目前正在研究中能控制NOx排放雖的新型低污染燃燒室主要有貧油預(yù)混 預(yù)蒸發(fā)(LPP)燃燒劉a或稱貧油預(yù)混(LP)燃燒室、變兒何(VGC)燃燒室、貧油直接混合 (LDM)燃燒宅國以及富油燃燒猝熄貧油(RQL)燃燒宅叫1.2.1貧油預(yù)混預(yù)蒸發(fā)(LPP)燃燒室降低NOx排放的終極手段是需要一個預(yù)先混合均勻的、貧燃料燃燒的以及對液體燃料能夠 預(yù)先完全蒸發(fā)的燃燒方式，而這便是LPP燃燒宅燃燒方式。燃燒區(qū)的當址比越小越能夠降低 NOx的排放.當然.其下限是貧油想火極限，燃燒區(qū)的當雖比不能低于該極限。從過程上來看，LPP燃燒方式大致可以分為三個階段。第一階段是燃料噴射階段，該階段 的功能是使噴射出來的燃料要具倚較小的霧化顆粒度以及均勻的空間分布。一般來說，噴射點 越多，空間分布就越均勻。第二階段是便噴射出來的燃料與預(yù)混合預(yù)蒸發(fā)段的空氣進行混合， 在高功率狀態(tài)下，由于燃氣出口溫度比燃油的沸點髙得多，因此燃料可以實現(xiàn)邊混合邊蒸發(fā)。 第三階段為燃燒階段，預(yù)混預(yù)懣發(fā)的燃料、空氣混合物進入燃燒區(qū)進行燃燒，燃燒后的燃氣流 入渦輪。其中第一階段是LPP燃燒室的關(guān)鍵階段。LPP低污染燃燒方法示意圖如圖1.1所示：圖1.1貧油預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒方式國從上述對LPP燃燒宅工作過程的分析可以看岀，LPP低污染燃燒方式有以下三個優(yōu)點：1） 能夠全面兼顧NOx、CO和UHC的排放：2）能夠消除碳的形成，尤其對于燃料為氣體燃料的 情況：3）由于該燃燒宅內(nèi)各個區(qū)域的火焰溫度均低于1900K,所以NOx排放雖不會隨滯留時 間的增長而增參。然而LPP燃燒方式也同時存在一些不足：由于在燃燒區(qū)上游的燃料蒸發(fā)以及 油氣混合都需要比較長的時間，所以隨著進口溫度的升高很有可能發(fā)生口動著火和回火，在這 種惡劣的工作條件下就要借助某種點火裝置來協(xié)助點火，達到穩(wěn)定燃燒的目的：同時該種LPP 燃燒室容易產(chǎn)生共振。122貧油直接混合（LDM）燃燒室貧油直接混合低污染燃燒室的燃燒模式基木有兩種:一種是燃油直接噴入燃燒區(qū)進行燃燒, 另一種是在一定程度上燃料與空氣預(yù)先混合后噴入燃燒區(qū)域進行燃燒。燃料在燃燒過程中基木 處于貧油狀態(tài)。該種燃燒室的主要特點是火焰筒壁面上沒有主燃孔，空氣全部從頭部進入燃燒 區(qū)。盡可能保證燃料能夠在貧油狀態(tài)下的低污染燃燒區(qū)域里燃燒是LDM燃燒室降低污染物排 放的基本匪理。若燃料能夠在這個區(qū)間內(nèi)燃燒，NOx的排放就將大大降低：另一個彩響污染物 排放的重要因素是油氣混合奉，從油氣混合率對NOx排放影響的研究表明（來看，當燃燒區(qū)當 雖比小于0.7時，混合率將低于0.25.這將會大大降低NOxff放。對于目前使用的常規(guī)燃燒空 而言，若當雖比為0.7,混合率將大于0.3。因此常規(guī)燃燒方案不能簡單的通過增加頭部空氣 雖來達到增加混合率的目的。油氣混合率與兩方面因素有關(guān)。一方而，若由于空氣的進入，導(dǎo)致火焰筒內(nèi)的壓力降増加， 這樣便能增加燃油和空氣的混合率，然而實際上火焰筒內(nèi)的壓力降一般不會増加，主要由于它 影響了整臺發(fā)動機的總循環(huán)效率：另外一方面，可以改善燃油噴射條件?？梢圆捎萌加投帱c噴 射，這樣可以使燃油和空氣混合的更加均勻。LDM低污染燃燒方式示意圖如圖1.2所示:圖1-2貧油直接混合燃燒方式123變幾何(VGC)燃燒室可變幾何燃燒宅是低污染燃燒室中的一種。該種燃燒室降低NOx的基木原理為：通過采用 可調(diào)幾何形狀的燃燒宅部件，來維持整個燃燒宅工況內(nèi)燃燒區(qū)合適的流呈分配，從而控制燃燒 區(qū)的溫度.以達到低污染燃燒的目的。該種燃燒空的概念是在20世紀70年代舊提出的。變兒何燃燒宅的調(diào)整方案主要有三種：zkq 20160222一種方法是通過采用可調(diào)的旋流器，通過調(diào)整頭部的空氣雖，來保證燃燒區(qū)的當雖比在低污染 燃燒的區(qū)間內(nèi)小】：第二種方法是調(diào)整摻混孔的流通面枳，同樣可以達到上述目的：第三種方 法是采用流體控制的方法使旋流器的有效面積發(fā)生改變，沒有運動部件，也能達到上述目的， 只是這種方法處于概念探索階段，距實用還有相當一段距離卩先變兒何燃燒方式有以下幾方面的優(yōu)點：通過控制主燃燒區(qū)的空氣雖.可使燃氣比的調(diào)廿范 圍得以擴大，這樣可以降低在不同工況下的污染物排放雖：能夠全面兼顧如點火、穩(wěn)定燃燒等 各項燃燒性能的要求。燃燒宅若在低工況下運行，便可減少供氣雖，這樣便避免了要按垠大點 火高度點火所需要的過大的參考截面積，因此，發(fā)動機的重呈和尺寸得到了減小?？勺儙缀稳?燒方式一般和LPP燃燒技術(shù)結(jié)合使用，使得LPP燃燒方式更有效，然而由于燃燒室的工作環(huán)境 溫度一般都很高，若增加運動部件，可靠性令人擔憂：另一方面，幾何面積的改變引起燃燒室 內(nèi)壓力的變化，這樣給燃燒組織帶來了很多困難。124富燃-猝熄-貧燃(RQL)燃燒室RQL燃燒宅主要分為三個區(qū)域：富油燃燒級、急冷級、貧油燃燒級。其中富油燃燒級的當 址比一般在L21.6范圍內(nèi)。在富油燃燒級，可以采用降低火焰溫度以及減少氧氣址的方法來 降低CO和NOx的排放雖。在急冷級，由于大址空氣的進入，完成富油燃燒級向貧油燃燒級的 低排放燃燒宅燃燒性能和污染排放預(yù)測模型研究瞬間過度。在貧油燃燒級，由于大雖急冷級的摻混空氣的進入，該區(qū)的當呈比已經(jīng)很低，將不 會產(chǎn)生大雖的NOx,其主要的功能是將在大功率狀態(tài)下富油燃燒區(qū)產(chǎn)生的UHC、CO以及碳煙 完全氧化，以達到燃燒室高燃燒效率和排氣不可見冒煙的目的。在小功率狀態(tài)下，完成UHC 和CO的最終氧化，以使燃燒效率保持在很高的水平。貧油燃燒區(qū)必須有一定的長度，否則UHC 和CO不能完全被氧化，從而降低燃燒效率。RQL燃燒室降低NOx的基木原理為：一方而由于在富油工況下，燃燒溫度較低，而且在 燃燒的過程中缺氣，在這種情況下大氣中的氮生成NO的主要成分減少，抑制了熱力NO的生 成：另一方面，在20世紀70年代后期，由于能源危機導(dǎo)致采用放寬筒分的燃油，燃料中的含 氮雖大大增加，而在富油情況下的燃燒能夠有效的抑制燃料NO的生成，因此采用一個富油初 始燃燒區(qū)能夠大大降低NOx的生成。RQL燃燒方式示意圖如圖1.3所示：圖13富燃猝熄貧油燃燃燒方式國1.3國內(nèi)外污染排放預(yù)測方法概述為了發(fā)展高效率，低污染燃氣輪機燃燒宅，人們積極探索各種降低NOx的有效措施。總結(jié) 下來，國內(nèi)外對燃氣輪機燃燒室污染排放的預(yù)測方法分為四大類：經(jīng)驗?zāi)Ｐ头?、半?jīng)驗?zāi)Ｐ头ā?計算流體力學(xué)法和網(wǎng)絡(luò)法。1.3.1經(jīng)驗?zāi)Ｐ头ń?jīng)驗?zāi)Ｐ褪撬姆N類型中最簡單以及計算雖最小的一種模型，該模型作為預(yù)測燃燒宅污染排 放的模型，是通過大雖的實驗，總結(jié)出發(fā)動機燃燒宅的一些具體參數(shù)與污染排放的關(guān)系。公式 1-1. 1.2, 1.3是三個經(jīng)典的預(yù)測NOx的經(jīng)驗?zāi)Ｐ挖嗝ζ渲泄?.3為預(yù)測LPP燃燒宅NOx排放的 經(jīng)典經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀INO =。0042(人 丫化-1471 片(1.1)x 1439丿I 345 丿 其中是燃燒室進口總壓，7；為燃燒室進口溫度.7；為出口溫度。EINO = 0.068P " e暫，：59.67 申(0.00271 Ahum Fact) ( 1.2) 式中人、&、7；代表含義同上，humFact是一個濕度因子，它的值取決于高度，在海平而， 一般認為 humFact = 0.0063WEINOx = 0.0000758(6.894 迅嚴嚴器互(1-3)式中人、人、7；代表含義同上。上述三個經(jīng)驗關(guān)系中式1.1,式1.2只適合單環(huán)形燃燒室，而式1.3適合貧油預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒 室。經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷膬?yōu)點是模型構(gòu)建簡單，計算雖較小。但經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷氖褂梅秶泻艽蟮木窒扌裕?每一類燃燒空甚至每一個特定的燃燒宅都要有獨立的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，而且這些模型另外一個缺點便 是不可以分析燃燒空結(jié)構(gòu)變化對污染排放的影響。1.3.2半經(jīng)驗?zāi)Ｐ头▃kq 20160222(1.4)半經(jīng)驗?zāi)Ｐ陀山?jīng)驗關(guān)系，循環(huán)參數(shù)，停留時間以及其他一些參數(shù)如主燃區(qū)溫度等共同組成。 半經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛯ξ廴疚颪Ox和CO都可以很好的預(yù)測，其中式1.4是一個經(jīng)典的預(yù)測CO的半經(jīng)驗?zāi)?型。EICO = 35-P SJCO式中：。表示根據(jù)反應(yīng)速率常數(shù)計算得到的特征反應(yīng)時間，丫$厶表示基于特定的長度，當燃 燒室總當呈比下降到低于某一個固定值時，引起溫度低于某臨界值，從而妨礙CO轉(zhuǎn)化為CO?, 這個過程所用的時間(1.5)式1.5是一個經(jīng)典的預(yù)測NOx的半經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀＞臡竺051P丿EINOx =AV P,2exp(0.0097 )其中式中/是一個常數(shù)，乙是燃燒室主燃燒區(qū)體積.P是燃燒室進口總壓，忌是燃燒室主18燃燒區(qū)溫度，衍彳是主燃燒區(qū)空氣質(zhì)雖流率，AP是燃燒宅壓降。半經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷娜秉c是在預(yù)測污染物排放時，污染物的排放雖與進口參數(shù)和燃燒區(qū)的一些參 #萬方數(shù)據(jù)低排放燃燒宅燃燒性能和污染排放預(yù)測模型研究數(shù)關(guān)系密切，但是這些參數(shù)往往很難獲得，而且模擬不同污染物排放雖，半經(jīng)驗?zāi)Ｐ完P(guān)系式各 不相同，這有時會導(dǎo)致預(yù)測NOx和CO排放雖出現(xiàn)前后矛盾的情況。半經(jīng)驗?zāi)Ｐ屯瑯硬荒苡?來分析由于燃燒宅結(jié)構(gòu)變化對污染排放的影響。133計算流體力學(xué)方法要發(fā)展低污染燃燒室，就要充分了解燃燒宅內(nèi)的燃燒情況，但是由于燃燒流動測試的成本 高，技術(shù)難度大，因此應(yīng)用數(shù)值欖擬方法對燃燒宅進行燃燒模擬研究得到了廣泛的應(yīng)用。在燃 氣輪機燃燒空的數(shù)值分析中，一般運用比較成熟的商用軟件對燃燒宅的燃燒特性進行數(shù)值模擬 (亠珂，從而預(yù)測污染物排放雖。目前Fluent是燃燒宅設(shè)計過程中的重要工具之一。用Fluent進行數(shù)值模擬的優(yōu)點是它能夠模擬非穩(wěn)態(tài)三維復(fù)雜燃燒，可以很好的反映燃燒過 程的變化。它的不足在于：在模擬計算過程中，需要構(gòu)建流動模型，結(jié)合能塑方程、動址方程、 連續(xù)性方程、物理邊界條件以及化學(xué)動力學(xué)進行求解，涉及計算過程復(fù)雜，運算雖大，耗時長， 因此計算效率不高。這些商用軟件由于受到計算雖的限制，通常采用的是簡化的化學(xué)反應(yīng)機理 進行求解.對NOx和CO等污染物不能進行準確預(yù)測。13.4網(wǎng)絡(luò)法為彌補CFD在預(yù)測污染物準確性熱及計異艸網(wǎng)也的不足，國內(nèi)外近些年來逐漸發(fā)展了 CRN 模型來預(yù)測污染物排放。早在上個世紀，國外就有一些學(xué)者提出運用全混反應(yīng)器模型PSR和柱 塞流反應(yīng)器模型PFR模擬火焰燃燒過程這一概念L隨著國內(nèi)外學(xué)者對化學(xué)反應(yīng)模塊的理論和數(shù)學(xué)補充，大雖商用化學(xué)反應(yīng)模塊軟件應(yīng)運而生， 例如：chcmkin、flamcmaslcr、modi ink x cantcra等。這些軟件包功能強大，都能夠處理大型化 學(xué)反應(yīng)機理，而且都具有網(wǎng)絡(luò)建模的能力。在國外，1991年，Sturgess運用區(qū)域建模的思想研究了貧預(yù)混燃燒宅內(nèi)的吹熄情況】。1995 年，Steele(33J構(gòu)建了 HPJSR反應(yīng)器，應(yīng)用兩個PSR串聯(lián)的簡單網(wǎng)絡(luò)模型對污染物排放進行預(yù) 測，預(yù)測結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)吻合得很好。1995年，Nicol等珂構(gòu)建的化學(xué)反應(yīng)器模型是由一個PSR 和一系列PFR紐成的，運用該模型，Nicol等人研究了在稀相預(yù)混甲烷和空氣燃燒情況下，不 同的NOx生成機理對NOx排放的影響?！?96年，Sturgcss和Shouse運用CFD-CRN方法對燃 燒室內(nèi)污染排放進行了研究，通過CFD模擬結(jié)果建立CRN模型，最后驗證了這種方法的計算 時何短，但是同時能夠較好的滿足流場以及化學(xué)反應(yīng)計算的要求卩1998年，Bengtsson用一個PSR和一個PFR的簡單網(wǎng)絡(luò)模型對燃氣輪機燃燒室內(nèi)NOx排 放進行了模擬，計算結(jié)果與實驗結(jié)果基本一致卩 1998年，Bhargava等人閃利用PSR和 PFR構(gòu)建了 CRN模型，并研究了當雖比以及壓力對NOx和CO排放特性的影響。20()()年， Rular1列呦通過一個PSR模型，運用GRI Meeh3.0化學(xué)動力學(xué)反應(yīng)機理，成功預(yù)測了高壓射流7 反應(yīng)器下NOx和CO的排放雖。在貧油預(yù)混燃燒的情況下，2002年，F(xiàn)alcilclli ct al.等人的運用 通用算法構(gòu)建了一個CRN模型。通過通用的算法把流動區(qū)域分成兩個部分，并介紹了影響污 染物生成的因素：當雖比和溫度。Mohamed和Rizk等人代宀】利用構(gòu)建的CRN網(wǎng)絡(luò)模型研究了 當雖比、停留時間以及溫度對CO和NOx排放特性的影響，模擬結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)符合較好。2（X）6年，Novossclov1461等人對燃燒天然氣的某燃氣輪機燃燒宅出口污染物的形成機理進行 了詳細分析，通過對CFD模擬結(jié)果中流場和溫度場的詳細分析，構(gòu)建了復(fù)雜的CRN網(wǎng)絡(luò)模型， 詳細介紹了 CRN網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建過程，并對不同特征區(qū)域的模擬結(jié)果進行了詳細分析，研究 結(jié)果再次顯示CRN網(wǎng)絡(luò)模型在運用詳細化學(xué)反應(yīng)機理時，計算結(jié)果與實驗結(jié)果的高度吻合性。 2007年，Mancini ct al切用同樣的步驟構(gòu)建了化學(xué)反應(yīng)堆模型RNM,這種方法預(yù)測NOx的生成 達到了很高的精度，與測雖的結(jié)果相比，誤差在5%以內(nèi)。在國內(nèi)，金戈伺利用全混反應(yīng)器PSR構(gòu)建了 CRN網(wǎng)絡(luò)模型，運用該模型模擬了低污染燃 燒室的工作過程，并計算了燃燒室在試驗狀態(tài)下的NOx排放雖，并將模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)進行 了對比，兩者吻合得很好。胡長松（呦提出了雙入口的PSR-PSR網(wǎng)絡(luò)模型，并且詳細介紹了網(wǎng)絡(luò) 模型建立的原理以及條件，并將模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)進行了對比。研究表明：在低DA數(shù)下的 稀相預(yù)混燃燒條件下，該模型對NOx的生成以及燃燒溫度進行模擬.并取得較好的預(yù)測結(jié)果。 楊小龍采用CRN網(wǎng)絡(luò)模型對某燃氣輪機燃燒室的工作過程進行了模擬.并且研究了燃料加 濕雖對NOx排放雖的影響，最后將模掀果2啖&僚2進行了對比，兩者吻合得很好,證明運 用該模型預(yù)測燃燒宅NOx排放是可靠的。劉富強等用采用基于詳細化學(xué)反應(yīng)機理的CRN網(wǎng)絡(luò) 模型對低排放燃燒宅的NOx排放特性進行了分析，同時研究了空氣進口溫度、當雖比和兩級供 油比例對燃燒空出口 NOx排放的影響，取得了較為合理的變化趨勢。1.4研究目的和研究內(nèi)容1.4.1研究目的綜上所述，隨著國內(nèi)外學(xué)者對化學(xué)反應(yīng)模塊的理論和數(shù)學(xué)補充，大雖的商用化學(xué)反應(yīng)模塊 軟件應(yīng)運而生，網(wǎng)絡(luò)法以運用詳細的化學(xué)反應(yīng)機理、計算時間短以及計算準確等優(yōu)點得到了越 來越多的重視。近些年來，國內(nèi)外很參學(xué)者在采用CRN網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測污染物方面做了很多的 研究。本文的研究目的是發(fā)展一種結(jié)合CFD計算結(jié)果、計算址相對較小并且能夠快速準確的預(yù)測 貧油預(yù)混預(yù)蒸發(fā)（LPP）燃燒宅出口 NOx排放的化學(xué)反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)模型方法，利用口編污染排放 預(yù)測程序進行模擬訟算，并將模擬結(jié)果和實驗結(jié)果進行對比.進而驗證模型的合理性和可靠性， 并不斷探索新的網(wǎng)絡(luò)欖型。為燃燒宅的初步設(shè)計以及優(yōu)化設(shè)計提供有價值的指導(dǎo)。萬方數(shù)據(jù)南京航空航夭大學(xué)碩士學(xué)位論文1.4.2研究內(nèi)容針對上述研究目的，木文研究具體內(nèi)容如下：1）采用C#語言開發(fā)LPP燃燒空污染排放預(yù)測程序，該程序要能實現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)機理文件的解析、 化學(xué)熱力學(xué)平衡計算、化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)計算等，最后達到能夠完成CRN網(wǎng)絡(luò)模型的組建以 及能夠進行計算模擬。2）對某LPP燃燒宅進行Fluent數(shù)值模擬，并對模擬結(jié)果中流場、溫度場以及一些對NOx排放 影響比較大的局部區(qū)域進行詳細的分析.將該燃燒室劃分為不同的特征區(qū)域，運用不同的 化學(xué)反應(yīng)器構(gòu)建化學(xué)反應(yīng)器（CRN）網(wǎng)絡(luò)模型。3）運用構(gòu)建的CRN網(wǎng)絡(luò)模型，運用自編程模擬程序進行模擬，并將模擬結(jié)果中出口溫度以及 出口 NOx排放與實驗結(jié)果進行對比，驗證模型的合理性和可靠性，并不斷探索更加合理的 網(wǎng)絡(luò)模型。4）運用驗證了可靠性的CRN網(wǎng)絡(luò)模型，研究進口空氣溫度、主級燃油雖以及值班級燃油雖對 燃燒空溫度以及出口 NOx排放的影響。zkq 20160222第二章化學(xué)反應(yīng)器模型交錯復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)模型是由不同類型的化學(xué)反應(yīng)器通過串并聯(lián)組成的。構(gòu)成網(wǎng)絡(luò) 模型的反應(yīng)器類型比較多，比如有：閉式等離子反應(yīng)器（Closed Plasma Reactor）、完全混合反 應(yīng)器（PSR、等離子完全混合反應(yīng)器（Plasma PSR）、柱塞流反應(yīng)器（PFR）、等離子柱塞流反 應(yīng)器（Plasma PFR）、無反應(yīng)氣體混合器（Non-Rcactive Gas Mixer）以及部分混合反應(yīng)器（PaSR） 模型等。在構(gòu)建CRN網(wǎng)絡(luò)模型時，經(jīng)常用到的反應(yīng)器模型有：完全混合反應(yīng)器（PSR）、部分 混合反應(yīng)器（PaSR）、柱塞流反應(yīng)器（PFR和無反應(yīng)氣體混合器（MIX）。其中在無反應(yīng)氣體 混合器MIX中.并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。所以本章針對前三種常用化學(xué)反應(yīng)器進行詳細介紹，為下 文詳細介紹fl編程污染排放預(yù)測程序做準備。2.1完全混合反應(yīng)器（PSR）模型2.1.1概述完全混合反應(yīng)器（PSR）通常也被稱為連續(xù)攪拌箱反應(yīng)器。該反應(yīng)器是零維反應(yīng)器，且包 含有氣相和表而化學(xué)反應(yīng)。在動態(tài)條件下，采用修正后的牛頓迭代算法，PSR模型能夠高效、 有效的模擬反應(yīng)器系統(tǒng)。針對動態(tài)系統(tǒng)而言，可通過設(shè)定時間來確定反應(yīng)的條件：而針對穩(wěn)態(tài) 系統(tǒng)，可以通過改變一個或多個參數(shù)，對不同的穩(wěn)態(tài)工況進行模擬計算，故后把模擬結(jié)果進行 對比分析。PSR模型是一個研究動力學(xué)起主導(dǎo)作用的工具。由于強迫洞流混合和高速擴散率的作用， 完全混合反應(yīng)器內(nèi)的物質(zhì)被假定為在空間上是均勻的。也就是說，反應(yīng)物向生成物轉(zhuǎn)化的轉(zhuǎn)化 速率是由化學(xué)反應(yīng)速率控制的，而不是由混合過程控制的。作為一個開放的完全混合反應(yīng)器， 多個PSR反應(yīng)器之何允許相互連接組成反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)，這也是本文建立CRN網(wǎng)絡(luò)模型的基礎(chǔ)。 在這個網(wǎng)絡(luò)模型里的所有反應(yīng)器參數(shù)可以同時進行求解，任意兩個反應(yīng)器之間可以增添熱流、 回流，而且每個反應(yīng)器都可以增添額外的進口。一般在默認情況下，下一個反應(yīng)器的入口參數(shù) 便是上一個反應(yīng)器的出口參數(shù)。完全混合反應(yīng)器（PSR）的主要優(yōu)點：可以用來分析詳細化學(xué)反應(yīng)機理以及復(fù)雜的反應(yīng)器 網(wǎng)絡(luò)：該模型計算雖相對較小，對計算機的要求不高。完全混合反應(yīng)器（PSR近似用到的假 設(shè)：1）快速混合的假設(shè)：2）同相反應(yīng)器模型還需要其他一些額外假設(shè)，例如流體經(jīng)過反應(yīng)器 的時間特征，一般是用流率和反應(yīng)器體積推導(dǎo)出來的名義滯留時間來描述。2.1.2 一般方程反應(yīng)器的守恒方程包括能雖守恒方程，質(zhì)雖守恒方程以及組分守恒方程。守恒方程包括穩(wěn) 態(tài)和瞬態(tài)兩種情況。即使在穩(wěn)態(tài)的情況下，計算算法通常也布要相關(guān)瞬態(tài)問題的微分解。所以 本章只介紹了瞬態(tài)守恒方程。1）質(zhì)雖守恒在PSR反應(yīng)器中.質(zhì)址的時間變化速率等于單位時間內(nèi)質(zhì)雖的流入與質(zhì)呈流出之差，加上 從反應(yīng)器表而增加與減去的質(zhì)塑。質(zhì)塑守恒方程表示為："（叩="畑nWR、加V+匸,%M Ki cG)dt P 丿= 1,23(2.1)其中p表示質(zhì)址密度，7表示反應(yīng)器體積，表示反應(yīng)器序號，N心表示反應(yīng)器j的入口數(shù)， 表樂組成反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)的反應(yīng)器總數(shù)，九表示入口質(zhì)雖流率，方表示出口質(zhì)呈流率，R與 示反應(yīng)器廠回流到反應(yīng)器j的回流比例。若反應(yīng)器壁面物質(zhì)參與化學(xué)反應(yīng)，則出口流呈就不再 等于回流流址加上進口流雖。式子（2.1）右邊最后一項便是考慮了這種情況。Kg為氣相物質(zhì) 的種類，M為反應(yīng)器壁面物質(zhì)種類，爐為第K種組分的分子址，S）表示摩爾速率。2）氣相組分守恒方程*氣相組分守恒方程表示如下：（P卩嚴%爐+*L, ikk k kai j=i（2.2）$於5（Y（r）_ y（n）_ y（n A（j） s（j）wrj k k k m 乙.k.mr=lnr=lK=l其中P" 憶、斤分別表示第A種組分的密度、分子雖和質(zhì)雖分數(shù)，表示第斤種組分單位 體積氣相化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的摩爾速率，上標*代表入口參數(shù)，表示反應(yīng)器廠回流到反應(yīng)器j的 回流比例。在穩(wěn)態(tài)工況下，滯留時間與反應(yīng)器進口質(zhì)雖流率以及體積之間有以下關(guān)系：_ P7、T _、“（丿） （7）（ 2.3）式中、y、N 、用、R和N的意義與式2.中相同。尸PSR irj八由理想氣體狀態(tài)方程可知，質(zhì)址密度P與壓力和溫度有關(guān)。在穩(wěn)態(tài)條件下，反應(yīng)器的特征 參數(shù)一般用滯留時間來描述，而不是用質(zhì)雖流率，但是當反應(yīng)器質(zhì)雖流率為零時，滯留時間就 不能作為特征參數(shù)來便用了。11萬方數(shù)據(jù)南京航空航夭大學(xué)碩士學(xué)位論文3）氣體能雖方程反應(yīng)器中氣體的溫度一般通過兩種方法確定：一是指定一個確定的溫度值，二是由反應(yīng)器 的能雖守恒方程來求解。由于通過反應(yīng)器建立的控制體，能夠確立能雖守恒方程。因此反應(yīng)器 內(nèi)總的內(nèi)能方程可以表示為：dU 心（兒“（刀氣（y 力尹）+畑加（枷（X h尸 _ v d X a * * 曲+少） dT麗疵dt(召I八1,2,3(2.4)loss萬方數(shù)據(jù)其中U叩由氣體的內(nèi)能.通過壁而的能址以及氣體與壁面發(fā)生反應(yīng)后由壁面物質(zhì)帯入的能雖. P0V冋代表控制體對外界做的功，Q。“表示通過傳熱而流火到環(huán)境中去的能雖，Qg般 被指定為常數(shù)或是通過熱傳遞常數(shù)你與環(huán)境溫度兀計算獲得，Qa心表示內(nèi)熱源。(2.5)內(nèi)熱源的計算公式如下：Q4M-T爲內(nèi)能的時間導(dǎo)數(shù)一般被認為是焙的時間導(dǎo)數(shù)減去體積和壓力乘積的時間變化速率，公式如 下：(2.6)(2.7)dH“ dtdP dt(2.8)其中式2.8中，dHgjdt代表反應(yīng)壁熱容貢獻的項。若忽略此項，把氣相貢獻的部分展開, 就可以得到每一個反應(yīng)器模型的熱平衡方程，具體方程如下：(2.9)其中方是氣體混合物的比焙，等于各種組分的比焙與其質(zhì)雖分數(shù)乘積的和，表示在定壓下, k組分的比焙。利用上面推導(dǎo)的一系列方程式，便可以得出瞬態(tài)能雖方程，如下式所示：(pryc dT(j) 心 廠(/?. 力)八 + %”尬(八R 鈔(2.10)其中弓是平均氣體比熱，所有組分都被認為在溫度T下達到熱狀態(tài)平衡，也就是說7可以用 下式進行計算：(2.1!)*=i滯留時間T即是流體在反應(yīng)器內(nèi)停的留時間，對于模擬結(jié)果影響重大。滯留時間由氣體的 質(zhì)址流率以及攪拌器的體枳來確定，公式如下：(22)(2.13)其中質(zhì)雖密度可以通過理想氣體狀態(tài)方程計算:P= RT式（2.13）中R表示通用氣體常數(shù)，P為壓力，T是溫度，臚是混合物的平均摩爾質(zhì)塑。2.2柱塞流反應(yīng)器（PFR）模型2.2.1概述長期以來，柱塞流反應(yīng)器多用于化學(xué)反應(yīng)工業(yè)，該反應(yīng)器通常運行在穩(wěn)態(tài)狀況下，故其可 以用于化學(xué)反應(yīng)過程的設(shè)計、控制以及優(yōu)化。由于化學(xué)反應(yīng)一般都要涉及熱力學(xué)、動力學(xué)以及輸運現(xiàn)彖，因此，嚴格的化學(xué)反應(yīng)器模型 必定是多維的。但是由于數(shù)學(xué)以及實踐的原因，有些反應(yīng)器模型則采用了較理想的簡化形式。 柱塞流反應(yīng)器內(nèi)有如下假設(shè)：流體在管狀體中流動時，在軸向上沒有相互混合，但在垂直于軸 向方向上完全混合。柱塞流反應(yīng)器的優(yōu)點：1）由于軸向沒有相互混合，這樣有助于反應(yīng)物轉(zhuǎn)化 率達到最大值：2）在該反應(yīng)器內(nèi)，橫向梯度為零也就表示傳質(zhì)障礙不存在，因此，反應(yīng)器的性 能也得到的大大提高：3）柱塞流反應(yīng)器模型采用的是一階常微分方程，因此計算效率較高。除 了這些優(yōu)點外，該反應(yīng)器由于使用的初始命令為ODE模型，計算快捷，不需要傳遞其他特性。2.2.2 般方程由于以上假設(shè)，柱塞流反應(yīng)器的控制方程是忽略了軸向變化雖的簡化形式?？刂圃摲磻?yīng)器13行為的方程包括質(zhì)雖守恒方程，能雖守恒方程以及組分守恒方程。1）質(zhì)雖守恒方程dA du dp MP"忑+P“忑皿忑=*5若九憶(24)其中“表示氣體軸向速度，p表示由Ks種氣體組成的混合氣體的密度，A是表示流體的流通 橫截面積。j他表示第k中物質(zhì)的分子:a, Sk表示這種物質(zhì)通過所有的表面反應(yīng)所得到的生成 率，表示第i個入口在反應(yīng)器表面上m物質(zhì)單位長度上的有效內(nèi)表面枳。2）組分守恒方程：組分守恒方程為：puA K +Y a S WA+ S adxm=1 K =1m=!其中，冷是組分&的質(zhì)雖分數(shù)，3）能雖守恒方程（人dY|E *h k +C +wdx dxM Kbm=!K=1認表示組分k通過氣相化學(xué)反應(yīng)得到的生成率。dT diA 3l :dx)+、E * * -hY + uK=1匕1、Af %iZ “工 is wK=l (2.16)1=1(2.15)C；表示氣體的平均熱容，忑表示單位長度的表面積，h*表示組分k的焙,T表示氣體溫度，S 表示與物質(zhì)m發(fā)生的表面反應(yīng)生成組分k的生成率。式2.16中描述了由于流動氣體總能址的變 化，導(dǎo)致外部環(huán)境熱通魚變化以及散落固體的焙聚集。4）動雖方程守恒方程氣體的動雖方程表示粘滯力、壓力、慣性力以及臨界反應(yīng)動雖之間的平衡關(guān)系。因而，動雖方程為:(27)其中，F(xiàn)表示管壁施加給氣體的阻力，P表示絕對壓力。通過理想氣體狀態(tài)方程可以將密度和 壓力建立聯(lián)系。2.3部分混合反應(yīng)器（PaSR）模型2.3.1概述在很多實際應(yīng)用中，英中包括內(nèi)燃機和燃氣輪機，燃料和空氣的混合過程有時會嚴重偏離 理想混合情形。當化學(xué)動力學(xué)反應(yīng)速率與湍流混合速率相差不大時，混合程度對反應(yīng)器特征有 很大的影響。但是PaSR模型不像完全混合反應(yīng)器模型那樣，冷要有快速混合的假設(shè)。在分子 層而上的反應(yīng)流混合不均一是PaSR最明顯的特征。PaSR的混合過程一般用混合頻率來描述，而混合頻率通常被定義為湍流時間尺度的倒數(shù)。 由于PaSR內(nèi)涉及到非常復(fù)雜的流體力學(xué)問題，因此，混合頻率一般被規(guī)定作為輸入址。除了 反應(yīng)器內(nèi)的滯留時間，混合時間可以作為另外一種時何參氐可以用來衡雖PaSR的產(chǎn)物。PaSR 內(nèi)的成分構(gòu)成以及溫度都可以用概率密度函數(shù)來描述。PaSR和其他模型之間的聯(lián)系以及制約關(guān)系在燃燒領(lǐng)域經(jīng)常會被用到。當湍流混合時間尺度 足夠小以至于趨近于零時，此時混合過程進行的足夠迅速，實現(xiàn)了 PaSR反應(yīng)器里的同類產(chǎn)物 在分子水平能夠均勻混合的目的，在這種情況下，PaSR轉(zhuǎn)換成PSR。另一極端極限，即是當 湍流混合時何足夠長時，氣體流入PaSR時沒有混合，因而PaSR是由分離的反應(yīng)混合物組成的。 在這種情況下，該反應(yīng)藩中的混合物只有很大的平均停留時間，沒有最大混合極限，此時的PaSR 產(chǎn)生的效果就像一個柱塞流反應(yīng)器。PaSR致力于體現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)與洞流的相互作用岡少。該模型的基木假設(shè)與PSR模型的基本 假設(shè)類似。PaSR與PSR反應(yīng)器的最主要區(qū)別是這兩種反應(yīng)器在處理分子混合的方式上是不同 的。在PSR內(nèi)，通過假設(shè)高強度的湍流攪拌作用或者采用其它一些積極活躍的機械裝迓，使反 應(yīng)器內(nèi)組分混合均勻。反應(yīng)器內(nèi)的停留時何表征了流體動力學(xué)在PSR模型中的唯一影響。與 PSR不同的是PaSR還可以通過混合時間T軽來控制化學(xué)反應(yīng)和分子的混合程度?；旌蠒r間的 定義為：其中C。為一常數(shù)，左表示平均詢流動能，云表示平均的湍流動能耗散率。&/E表示含能渦的 時間尺度。2.3.2聯(lián)合概率密度函數(shù)在湍流流動