等离子点火发生器多物理场的数值研究
等离子点火技术是一项新型燃气轮机点火技术,具有点火延迟时间短、点火能量高及活化助燃的优点。由于燃烧室内高速旋转气流的存在,会导致等离子点火器的射流长度不足,甚至不能稳定地点燃油气混合物。因此本文针对某型等离子点火发生器的流动特性进行了深入的研究,目的是改进点火器的射流刚性及强度,从而提高其恶劣环境中的点火性能。 本文首先理论计算了等离子点火发生器内空气的化学反应,研究了等离子体的活化助燃特性。再次基于Fluent二次开发计算了点火发生器内电磁场、流场及温度场多场耦合特性,并对点火器的结构进行了优化设计。最后基于等离子体与磁场及电场的可作用性,设计了屏蔽式磁透镜和浸没物镜型电透镜装置,提高了点火器的点火性能。 本文计算化学反应时,假定高温空气反应均达到化学平衡状态,利用标准化学势求解各反应平衡常数,计算了10000K温度下高温空气的平衡成分并分析了活化粒子的浓度。其次本文对Fluent软件进行了多物理场耦合计算程序的开发,研究了电磁场与流场、温度场之间的相互作用,采用了考虑低雷诺数的RNGk??双方程湍流模型,方程中考虑了辐射、电子迁移功、焦耳热及自感应洛伦兹力的影响,并对点火器的工作电流、进气流量及结构尺寸(喷嘴半径、喷嘴长度、阴极内缩量)进行了对比性研究,最终确定了最佳工作参数,并优化设计了电极结构。本文还基于ANSYS电磁学模块设计了具有磁屏蔽装置的磁透镜装置,优化设计了磁透镜的工作参数。 结果表明:在点火器工作温度范围内,射流区域内的高温空气发生了化学反应,产生的氧原子成分对燃料的燃烧起到助燃作用。经过对比,考虑低雷诺数的RNGk??双方程模型可准确预测点火器内及射流区域的流动特性。提高点火器的工作电流可明显提高射流刚性与强度,但会增加电极烧蚀速度;增加进气流量,可提高射流刚性降低电极温度;阳极半径的大小对射流速度的大小起决定性作用,阳极半径越小,射流速度越大;增加阴极内缩量可同时提高点火器射流的速度和温度并明显降低阴阳极之间电压;减小阳极长度可提高点火器的温度,但影响程度较小。当施加外部磁场时,同时施加轴向和径向磁场可明显提高点火发生器的性能,利用ANSYS软件设计的屏蔽式磁透镜和设计的简易电透镜实现了提高发生器射流温度和速度的目的。
燃气轮机;等离子点火;有限体积法;优化设计;电磁透镜;数值模拟
哈尔滨工程大学
硕士
动力机械及工程
郑洪涛
2013
中文
U664.131
116
2014-04-17（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）