基于CONVERGE的氢气涡轮发动机回火研究

氢燃料已经成为燃气轮机更有吸引力的替代燃料之一，并得到了多个国家的支持，以取代或补充传统石化燃料。氢燃料具有许多优点：具有更高的热值，燃烧时不产生温室气体，并且可以与现有燃料混合而无需对燃烧器进行重大改造^[1]。

虽然氢燃料有很多优点，但真正要用在燃气轮机中会面临随之而来的许多设计、储存和运行方面的挑战。设计新燃气轮机或改造旧燃气轮机的一个主要挑战是防止燃烧室中出现一种叫做“回火”的现象。在回火过程中，火焰以高于进气流速的速度向上游传播。持续的回火会对燃烧器造成严重的热损伤^[2]。与传统石化燃料相比，氢具有更快的化学反应动力学特性和更高的火焰速度，使其更容易发生回火。为了缓解这种现象，人们正在进行各种研究，以找出氢燃料安全运行的极限。在Convergent Science，我们使用CONVERGE进行了一项研究来分析旋流燃烧器中的回火现象。我们将模拟结果与D. Ebi在德克萨斯大学奥斯汀分校进行的实验工作^[3]进行了比较。

计算设置

图1显示了我们研究的旋涡燃烧室的几何形状。预混燃料和空气从底部进入，通过旋流器，在燃烧室点燃。为了准确预测回火，我们采用了 LES-dynamic structure湍流模型和详细化学反应机理^[4]燃烧模型，并与流动求解器充分耦合。由于火焰在回火过程中向上游传播，预混段和燃烧室中的网格必须足够精细，以捕捉火焰前锋。然而，这种方法将导致计算时间无法承受。为了在合理的时间范围内获得准确的结果，我们使用了CONVERGE的自适应网格加密(AMR)技术来增加火焰前锋的网格分辨率，同时在计算域的其它空间保持较粗的网格。

图1：旋转燃烧室几何形状。

回火结果

在图2中，我们展示了CH4 +空气(当量比Φ = 0.8)混合气的实验结果和模拟结果的图像对比。可以看到无论是火焰结构还是发展过程，模拟和实验都非常非常相似。我们还分析了CH4 + H2 +空气(Φ = 0.4)混合气的回火极限。对于这种特殊的燃料混合气，实测的回火临界值是75%的H2体积分数。而根据我们的模拟结果，预测出来的H2回火临界体积分数为77%。

图2：CH4 +空气火焰（Φ = 0.8, T 在=293 k, Reh= 4000）回火。上部为实验数[3]，下部为模拟火焰

结论

本研究展示了一种用于准确预测回火和火焰传播的工程解决方案。有关这项研究的更多细节，可以参考我们发表的论文^[5]！CONVERGE在模拟复杂几何形状和燃烧方面有着诸多的优势和良好的口碑，是所有燃气轮机流动模拟的首选工具。

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