连续弧等离子发生器数值模拟及结构设计

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燃烧室是燃气轮机的核心部件之一。一个点火性能稳定、燃烧效率高的燃烧室是整台燃机可靠、高效工作的必要条件。在燃烧室中采用空气等离子点火技术加速了燃料燃烧的物理化学过程,扩大了点火的浓度极限,增加了火焰的传播速度,并且在很大程度上提高了点火的可靠性及燃烧的稳定性,避免了由于多次冷启动、燃油雾化不良而引起的燃烧室爆燃和着火现象的发生。这对于燃气轮机的发展具有长远的意义。本文设计出一种连续弧等离子发生器,并对其进行了数值模拟。在数值模拟的过程中建立了等离子发生器的计算模型,并对其进行了网格划分、求解域和边界条件的设定。根据流体力学的质量守恒、动量守恒、能量守恒方程组和电磁学的麦克斯韦方程组建立了等离子电弧的磁流体数学模型,并利用有限元分析软件COMSOL对等离子电弧的电场、磁场、温度场以及速度场进行了直接耦合计算,主要得到了等离子体电弧的速度场和温度场的分布情况。通过改变等离子发生器的结构参数来研究其对电弧特性的影响,经过耦合计算得到了结构变化对等离子体电弧温度场和速度场的影响变化曲线,特别是得到了阴极壁面和阳极壁面最大温度分布曲线图,对怎样减小电极烧蚀提供了一定的参考,为设计出结构更加合理的等离子点火器提供了一定的理论指导。计算结果表明,空气进口总压、空气压缩角、喷孔半径、喷孔长度和电极轴向间隙对等离子点火器温度场和速度场的分布影响显著。通过减小流动压差、缩小空气压缩角、增加喷孔长度、减小喷孔半径以及减小轴向间隙等可以有效提高电弧的点火能量。尤其是减小空气压缩角,减小电极间轴向间隙对速度的影响比较小,这样能保证电弧在具有一定刚度的前提下达到要求的点火温度,改善了燃气轮机的点火性能,延长了等离子点火器的使用寿命。
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