西门子能源事业部采用大涡模拟 (LES) 研究瞬态燃烧效应

燃气轮机在能源输送安全性方面发挥着越来越关键的作用，能够动态平衡诸如风力、太阳能和水电等间歇性电力来源在发电过程中的波峰和波谷。然而，努力降低氮氧化物 (NOx) 排放量可能会带来热声振荡问题，这会限制低排放燃气轮机的工作范围。

丹尼尔·穆勒 (Daniel Moëll) 博士是西门子能源事业部的燃烧工程师，他鼓励使用计算流体力学 (CFD) 仿真并结合大涡模拟 (LES) 模型来了解和预测热声波如何在燃气轮机燃烧器中形成。

燃气轮机在清洁能源未来发展中角色的转变

虽然天然气明显与石油和煤炭同属于化石燃料，但相较之下，天然气燃烧时释放出的二氧化碳量更低。对比新型煤炭发电站，现代燃气轮机每兆瓦时 (MWh) 发电所排放的二氧化碳量 (CO2) 可降低 50% 到 60%。根据国际能源署的预测，在过去十年间，煤转气已实现了超过 5 亿吨的二氧化碳减排，减排量相当于同期 2 亿台电动汽车 (EV) 上路所排放的总量。

从空气污染的角度出发，相较以往，燃气轮机的运行更为清洁。稀薄预混燃烧技术将燃油与空气充分混合，旨在降低燃烧温度，随着这种技术几乎完全普及，现代燃气轮机在满载工作期间不时排放的 NOx 量可低至个位数。

尽管已竭尽全力使燃气轮机技术变得更加清洁高效，但行业在该技术的部署方式上依然面临几大关键挑战。该技术原本专为基荷发电而设计，在满载持续运行的情况下，越来越需要燃气轮机要有能力承担更高的动载荷。鉴于大部分稳态基荷由老化核电站提供，而日益增长的风力和太阳能发电量所提供的间歇性载荷波动不断，现在燃气轮机必须平衡其他电力来源之间的波峰和波谷。

简而言之，燃气轮机可确保在没阳光和没风的时候能够持续为灯供电。燃气轮机是扮演该角色的理想选择，因为燃气轮机可以在几分钟内启动，然后根据负载要求的变化迅速提速和降速。然而，现代低 NOx 排放燃气轮机的工作范围可能会受到热声振荡的限制。

热声振荡

尽管燃气轮机（或任何发动机）的总体热力学效率随燃烧温度而上升，但与此同时，燃烧温度越高，所生成的 NOx 量也会迅速增加。自上个世纪八十年代以来，燃气轮机制造商尝试将稀释作为一种控制燃烧温度（进而控制 NOx 生成）的方法。尽管早期曾尝试采用所谓的湿式低排放方法，通过注入水或者蒸汽来控制燃烧温度，但如今制造的大部分燃气轮机都采用干式低排放 (DLE) 燃烧系统将空气与燃油进行预混合，从而使燃烧在一种稀薄预混状态下进行。在 DLE 工况下成功运行的一个关键要素之一就是使燃油和空气得到足够充分的混合。

尽管 DLE 系统可以极其高效地降低 NOx 的生成量，但这些系统同时也带来了其他工程挑战，其中部分与热声不稳定性相关。当预混燃烧系统在接近稀燃极限的情况下运行时，这种不稳定性表现尤为突出。热声不稳定性是指声场与燃烧过程之间交互作用时所产生的严重不良振荡。

“预混合可导致发生最严重的热声效应，”穆勒博士表示。“过去的非预混系统相当稳定，但 NOx 排放量非常高。如果火焰温度过低，则释放的热量不足以形成稳定的燃烧，因为这会产生高速流动，而我们要试图在这种情况下使火焰变得稳定，这样便会导致出现稳定性问题。”

这些不稳定性可使燃烧器性能大打折扣。如果控制不当，这种不稳定性可导致大幅自激振荡，由此可能产生额外的磨损，而如果燃气轮机结构受不稳定性的激励而发生固有频率振荡，则甚至会产生灾难性损坏。所有现代燃气轮机均配备了自动安全控制系统，可防止发生这种情况，但燃气轮机停机意味着发电中止，因此这种情况同样需要避免。

“热声不稳定性的危险之处在于其中含有大量的能量，”穆勒博士说道。“例如，一台 SGT-800 型燃气轮机的火力发电量为 130MW。因此，一旦出现不稳定，在每秒数千次循环运行的情况下，用于驱动该燃气轮机的动力几乎难以计量。如果未经控制，这些不稳定性便会引起严重的损坏。”

尽管对工业燃气轮机在近满载运行时的热声不稳定性已有了充分的认识和良好的管控方法，但在偏载工况或不同燃料混合的情况下，热声不稳定性问题可能会变得更加突出。

大涡模拟

“从前只能通过在实际发动机上进行台架试验的方式研究动态热声效应，”穆勒博士说道。“您必须启动发动机、测量动力学、停止发动机，然后才能找到抑制振荡的方式，之后再重启发动机来确认问题是否得到解决。”

这种试错方法不仅耗时，成本也非常高昂，但却无法为最终导致热声振荡的燃烧不稳定性提供太多的见解。穆勒博士和他的同事转而采用 CFD 仿真来更好地了解这些热声振荡来源于何处，以期在未来新一代燃气轮机中抑制热声振荡。

尽管 CFD 广泛用于设计燃气轮机燃烧系统，但绝大多数仿真依然采用雷诺平均 (RANS) 湍流模型。这些模型会模拟湍流的整体影响，但不会预测单个湍流涡旋的运动。尽管这种方法可以有效帮助了解大多数流体力学，但却无法合理预测内在瞬态现象，例如预混燃气轮机燃烧器的热声行为。

相反，穆勒博士和他的同事采用更为根本的方法，使用 Simcenter™ STAR-CCM+™ 软件来模拟湍流。Simcenter 是 Siemens Digital Industies Software 公司综合、集成式软件和服务 Xcelerator™ 产品组合的一部分。

LES 是一种瞬态仿真技术，可以对大尺度湍流进行明确的求解，同时模拟小尺度运动。是对湍流涡旋进行求解还是建模取决于局部网格分辨率，由此，LES 计算需要精细的计算网格和较小的时间步长。相较于选择模拟湍流而非对其进行求解的稳态 RANS 方法，LES 的计算成本高昂，致使该方法直到最近依然无法在工业上大规模推广。

“直到最近，计算成本依然将人拒之于门外：这些计算成本太过高昂，”穆勒博士表示。“十年前，LES 仿真完全属于天方夜谭。只是到近两到五年间，这种类型的计算在工业上的大规模推广才逐渐变得可行。”

最近有一篇 ASME 论文的题目为：“Large Eddy Simulation and Experimental Analysis of Combustion Dynamics in a Gas Turbine Burner（燃气轮机燃烧器中的大涡模拟与燃烧动力学实验分析）”，在该论文中，穆勒博士与他的同事共同对安装于大气式燃烧台架上的燃气轮机燃烧器就 LES 仿真进行了验证。这是一款低 NOx 排放的部分预混式燃烧器，来自西门子 SGT-800 型燃气轮机，其中整个燃烧器中预热的空气温度、火焰温度和压降均与发动机满载条件别无二致。该仿真捕获了实际燃烧室中包含的全部几何细节，计算网格数量达到 2800 万个单元。旋流器是燃气轮机几何体的混合与反应区，其中网格的精细程度最高。火焰区和大多数混合区中的单元尺寸都小于 1 毫米。

对比由同一台架上得出的实验观察结果，LES 结果显示吻合性良好，并预测出了最终导致热声振荡的原理和机制。

“在平均火焰结构和所产生的压力波动方面，LES 的预测结果显示总体上与实验数据相当吻合，”穆勒博士表示。“不仅如此，仿真还揭示了我们在台架上所观察到的压力波动背后的机制。火焰的轴向运动与整个燃烧器的压降及局部旋流数相耦合，在速度、压力和局部火焰位置之间形成力/反馈回路。轴向火焰脉动与声模态相互作用，从而使燃烧室内产生轴向压力波动。”

穆勒博士继续说道：“除了两种主要的轴向压力波动模态之外，还发现了一种作用于燃烧室横向方向上的模态。这种压力波在燃烧室四个壁面中的两个壁面间来回反弹，由一般火焰运动触发。”

在经过验证后，Simcenter STAR-CCM+ 仿真提供了大量的见解和工程数据。

“CFD 的真正价值所在是解释动力学效应，因为我们掌握了流场中所有必要的数据，”穆勒博士讲道。“在证明了 CFD 结果与实验结果相匹配之后，您可以通过后处理和数据分析来继续更加深入地详细研究流动现象。您可以研究涡流结构、放热量与声学之间的详细耦合关系。然后再开始回答这个重要的问题：要如何改变流场才能使我的燃气轮机的动力学性能得到提升，同时降低排放、提高稳定性？”

不仅限于化石燃料

尽管天然气（主要为甲烷）是迄今为止燃气轮机最常用的燃料，但诸如氢气、氨气等合成的非化石燃料气体也越来越受欢迎。这些气体可与甲烷混合，进一步降低二氧化碳排放。然而，改变燃料混合成分也是导致热声不稳定性的另一大潜在原因，而这也是 LES 仿真可以另外提供见解的地方。

“了解燃料与瞬态流动效应之间的这种耦合关系对于燃气轮机开发人员而言意义重大，”穆勒博士表示。“站在全局高度上来看，使用不同的燃料会导致火焰形状和位置不同。对此，我们可以通过 CFD 仿真轻松模拟，但这在测试台架上却难以测量。我们还可以通过使用另一种燃料来预测可改变系统热声行为的动态响应将如何变化，其中放热量会略有差异。”

这里具有无限的可能性。例如，另一种处理风力发电间歇性的方法是利用多余的风力制造氢气，作为燃气轮机夜间发电所用的纯燃料，而不会产生二氧化碳排放。当然，氢火焰的不同化学特性可能会导致燃烧行为发生变化，这种情况也需要采用 LES CFD 仿真来缓解。

“这就是 CFD 真正发挥作用的地方。您可以尝试使用不同燃料来驱动实际的燃气轮机，但如果不借助仿真，评估对整个燃气轮机系统的下游影响会变得异常困难，”穆勒博士说道。

使创新更上一层楼

“我们的研究显示 LES 有潜力捕获实际燃气轮机几何体中的复杂流动/火焰/声学相互作用，”穆勒博士表示。“优势有两点。首先，可提供有关火焰稳定性及其热声影响的详细信息，这会为燃气轮机开发人员提供巨大的帮助。”

在成功验证了 Simcenter STAR-CCM+ 预测热声振荡的能力后，穆勒博士相信这种类型的仿真最终可以日常部署于未来新一代燃气轮机的设计中。

“更为深刻的见解可推动创新，”穆勒博士说道。“CFD 能够让我们模拟可使性能得到提高的新燃烧器几何体或新型燃烧室。始终存在的一个风险是，如果您引进了新型燃烧器或燃烧室，则燃烧动力学可能不尽相同。”

“CFD 是一种非常有用的新技术预筛选方法，也是一种非常有效的解析方法。如果确实引入了全新的燃烧动力学，我们可以解释其原因所在，然后再相应做出适当的设计变更。”