燃气轮机燃烧产生的污染物主要为NOx(其中NO通常占95%以上)，对于日趋严格的环保规定，降低NO排放迫在眉睫。贫预混燃烧方法[1]因较低的燃烧温度而在降低NO方面获得了广泛应用，该方法先将燃料与过量空气预混形成贫态可燃物，再进入燃烧室燃烧，从而获得较低的燃烧温度，因此热力型NO[2]的生成较少。同时在燃烧器设计方面，由于燃烧所产生的回流区在稳定火焰和增强新鲜未燃物与高温烟气的混合上起到重要作用[3]，旋流燃烧器得到了广泛使用。

为了提高燃气轮机循环热效率，燃气轮机燃烧室须在高温高压的工况下运行，当前F级重型燃气轮机的燃气初温为1 430 ℃，压气机压比达到17～30[4]。但由于测量手段的限制，在高压工况下对燃气轮机燃烧室进行实验研究受到了阻碍[5]，且研究所需成本高、周期长。计算流体力学(CFD)数值预测以较低的成本和较短的时间，为燃气轮机燃烧室的燃烧特性及污染物排放的研究提供了有效的手段[6]。

Lu等[7]指出了化学机理对反应模拟研究的重要性，不合适或不充分的反应机理会产生不准确甚至错误的结果，过于复杂的机理不利于计算机求解，过于简单的机理会使计算失去准确性。GRI3.0机理[8]由美国伯克利大学的Smith等提出，其包含53种组分及325步反应，该机理被普遍认为是甲烷燃烧计算的标准机理，其中考虑了压力对化学反应的影响，计算量相对较大。为了节省计算成本，Karalus等[9]对GRI3.0机理进行简化，发展了骨架机理Skeletal mech，旨在用于预测燃气轮机在高压及贫预混工况下甲烷燃烧所产生的NOx，该机理包含30种组分及177步反应，其中甲烷氧化反应含有22个组分和122步反应，其余的8个组分和55步反应用于描述NOx的形成，考虑了压力对化学反应的影响。同时，Novosselov等[10]提出了8步反应机理8-steps mech，同样是为了预测燃气轮机在高压及贫预混工况下甲烷燃烧所生成的NO，该机理包括7种组分和8步化学反应，其中有3步为甲烷燃烧的总包反应，另外5步为各种途径的NO生成反应，压力对化学反应的影响通过将压力引入化学反应速率计算公式而实现。

近年来，一些学者[11-12]提出并证实了新的快速型NO的生成反应，他们以新的反应CH+N2=NCN+H取代了原先著名的由Fenimore[13]提出的反应CH+N2=HCN+N，新反应的快速型NO子机理取得了发展[14-16]。其中，Lamoureux等[16]提出的修正机理GRI3.0_modify，将原先GRI3.0的快速型子机理中的反应CH+N2=HCN+N和CH+N2(+M)=HCNN(+M)替换成CH+N2=NCN+H，同时添加了NCN的消耗反应：

NCN+H=HCN+N

(1)

NCN+O=CN+NO

(2)

NCN+OH=HCN+NO

(3)

NCN+O2=NO+NCO

各反应机理的NO摩尔分数分布如图6所示。从图6可以看出，4个反应机理高摩尔分数NO的区域相同，都位于火焰表面及高温区域(外部回流区和中心体处的微小区域)，NO的形成过程为：燃料进入燃烧室燃烧，在火焰表面形成了高摩尔分数的NO，然后回流至高温区域，在高温区域的回流过程中，NO的摩尔分数得到了少量增加，约在0.4×10-6以内，可见绝大部分的NO来源于火焰表面，这与上述对NO生成率的分析结论一致。

(4)

Pillier等[17]通过Chemkin软件计算及实验得出，由Lamoureux等提出的修正机理GRI3.0_modify能在高压下预测NO的形成。然而Chemkin反应器并不能像CFD一样揭示NO的形成地点及过程。CFD中的涡耗散概念模型(EDC)适用于详细化学机理的计算，Fukumoto等[18]指出EDC模型能够准确模拟燃烧的火焰结构。

入口设置在燃烧室入口表面上游5 cm处，旋流采用边界条件的设置取代旋流器，旋流角为56°，来源于Strakey等[20]的实验结果。CFD计算燃料为甲烷，当量比为0.55，燃烧室绝对压力为0.62 MPa，入口边界条件为质量流量入口，温度为550 K，质量流量为0.385 kg/s，出口边界条件为压力出口。壁面采用绝热边界近似处理，与实际散热的误差在合理范围内。轴线为整个圆柱形区域的中心轴。2D模型选为轴对称旋流模型，湍流模型为标准的k-ε模型，混合物的密度设置为理想气体模型，湍流化学相互作用模型为涡耗散概念模型，反应机理分别为上文所提及的GRI3.0、Skeletal mech、8-steps mech和GRI3.0_modify。压力速度耦合采用Simple算法，物理量空间离散采用二阶迎风，以保证精度。

1 计算对象及数值模型

1.1 计算对象

反应机理GRI3.0与Skeletal mech的NO摩尔分数分布基本一致，Skeletal mech很好地再现了GRI3.0的NO摩尔分数分布；而GRI3.0_modify在相同位置的NO摩尔分数比GRI3.0和Skeletal mech明显要高；8-steps mech在相同位置的NO摩尔分数明显低于其他反应机理，分布结果均与NO生成率分布一致。

学生习作：不必说宽阔的运动场，枣红的橡胶跑道，高大的教学楼，整齐的道边杨柳；也不必说学生在教室里高声朗诵，好静的学生扎根在图书馆，好学的学生缠着老师追问不休。单是校园中心的花坛就有无限的趣味。花坛中间的菊花竞相开放，争奇斗艳，红的像火一样鲜红，黄的像金子一样耀眼，粉的像晚霞一样美丽。再看看花坛周围，曾“碧玉妆成一树高”的垂柳，那“万条垂下绿丝绦”也失去往日的生机。一片片黄叶成群结队地往下落，刚刚扫过的地面，转眼间，又铺上一层厚厚的地毯，走在上面软绵绵的，真舒服！远处几个细心的女同学，正在地上捡拾树叶，准备夹在日记本里做标本。

图1 NETL-SimVal燃气轮机高压燃烧实验台

Fig.1 SimVal high-pressure gas-turbine combustor rig in NETL

1.2 数值模型

采用Fluent数值计算软件，CFD几何模型为二维轴对称模型，如图2所示。网格单元均为四边形，通过网格无关性验证，网格数为9 500，由于过密未在图2中显示。

图2 CFD几何模型

Fig.2 CFD geometric model

笔者结合已提出的4个高压燃烧机理，采用CFD对美国国家能源技术实验室NETL的SimVal燃气轮机燃烧实验台的高压燃烧实验[19]进行数值模拟，计算NO排放。通过分析温度场、NO生成率分布和NO摩尔分数分布，揭示NO形成地点及过程；将出口NO体积分数的计算结果与实验数据进行对比，揭示每个机理的计算效果和准确性，为燃气轮机燃烧室在实际高压工况下运行的NO排放预测提供参考。

2 计算结果及分析

2.1 流场

各反应机理的流场相似，旋流流场如图3所示。图3中，流场发生涡破碎形成内部回流区(Inner Recirculation Zone, IRZ)，具体过程为：由于离心力的作用，旋流产生径向压力梯度；切向速度沿轴向膨胀并衰减，因此在轴线附近形成负的轴向压力梯度，从而引起反向流，形成内部回流区，即云图中轴向速度小于0的区域。同时，由于喷嘴出口界面的突扩作用，在边角处形成外部回流区(Outer Recirculation Zone, ORZ)。回流区的形成在稳定火焰、增强新鲜可燃物和高温烟气的混合方面起到了重要作用。

图3 旋流流场

Fig.3 Swirl flow field

2.2 温度场

各反应机理的温度场如图4所示，其中4个反应机理的温度分布相似。从图4可以看出，高温区域均位于外部回流区和中心体处的微小区域，高温区域温度水平在1 812～1 842 K。反应机理GRI3.0与其简化机理Skeletal mech和其修正机理GRI3.0_modify的温度场基本一致，三者计算域平均温度分别为1 715 K、1 722 K和1 715 K，可见GRI3.0的平均温度水平相对于Skeletal mech稍低，与GRI3.0_modify相同；而8-steps mech的高温区域形状则与其他机理存在差别，其计算域平均温度为1 743 K，明显高于其他3个反应机理，同时可推测其火焰长度明显更短。

(a)GRI3.0(b)Skeletalmech(c)8-stepsmech(d)GRI3.0_modify

图4 温度场

Fig.4 Temperature fields

2.3 NO生成率分布

界域融合是产业融合的提升和发展。界域融合主要是指一种产业突破行业界限的跨领域发展过程，不仅有助于延伸产业链、扩大需求市场，还可以促进当地的产业结构升级。在文化旅游产业园融合发展的过程中，已经出现了多种界域融合的形式，比如：会展旅游、工业旅游、体育旅游等，正不断促进文化旅游和当地经济的共同协调发展。

空调系统的选择，在工程中，考虑到建筑物的用途和性质，热湿负荷特点，温湿度调节和控制的要求，空调机房的面积和位置，初投资和运行费用等多方面的因素。在这里，人为确定某一种空调系统，直接用做设计；或某选取几种空调系统，用作方案比较（见图4）。

(a)GRI3.0(b)Skeletalmech(c)8-stepsmech(d)GRI3.0_modify

图5 NO生成率分布

Fig.5 Distribution of NO production rate

专家共识推荐:鉴于前列腺等离子电切手术与其他术式一样存在术后复发的问题，有条件的医院应建立患者长期随访机制。

反应机理GRI3.0与其简化机理Skeletal mech的NO生成率分布基本一致，说明Skeletal mech很好地预测了GRI3.0的NO生成。而修正机理GRI3.0_modify在相同位置的快速型NO生成率比GRI3.0和Skeletal mech明显要高。8-steps mech在相同位置的NO生成率则明显低于其他反应机理。

NO的生成途径主要有热力型、快速型、N2O型、NNH型和燃料型等。由于本文的燃料甲烷没有N元素，故没有燃料型NO的生成，热力型NO的生成也很少，故4个反应机理的NO来源主要为快速型、N2O型和NNH型。这与Fackler等[22]的研究结论一致。

颈肩腰腿痛为临床常见疾病，临床常表现为肌肉疼痛、关节疼痛、活动障碍等，以中老年患者为主。近年来，颈肩腰腿痛发病率呈年轻化趋势，且该病具有难治愈、易反复发作等特点，单纯药物治疗不能从根本上消除疼痛[1]。低中频综合治疗仪操作简单，可改善局部血液循环，缓解疼痛。本研究旨在探讨低中频综合治疗仪结合医用冷敷贴治疗急慢性颈肩腰腿痛的临床疗效。现报道如下。

2.4 NO摩尔分数分布

1号交通洞的进口段位处山西省典型的黄土地区，改为洞挖后发现黄土埋深浅，约3～30 m；隧洞的断面大，开挖尺寸为8.4 m×9.2 m（宽×高），采取了“不灌浆小导管超前支护、全断面开挖、钢支撑与系统锚喷支护进行一期支护”的施工技术，达到了安全、快速、经济的施工目标，取得显著的成果。

(a)GRI3.0(b)Skeletalmech(c)8-stepsmech(d)GRI3.0_modify

图6 NO摩尔分数分布

Fig.6 Distribution of NO mole fraction

以NETL的SimVal燃气轮机高压燃烧实验台[19]为研究对象，该实验台如图1所示。其主要结构为预混段、喷嘴、燃烧室和乏气段，空气和燃料在圆环形的预混段内充分混合，经过旋流器后在喷嘴内形成旋流可燃物后进入圆柱形燃烧室燃烧，经末尾带有卡口的圆柱形乏气段流出，在乏气段出口处测量NO的生成量。

各反应机理的NO生成率分布如图5所示。从图5可以看出，各反应机理对应的高NO生成率均出现在火焰表面，说明4个反应机理的NO形成地点均主要在火焰表面。外部回流区高温区域的NO生成率比火焰表面低得多，而火焰表面的温度则明显低于该区域，说明火焰表面由温度引起的NO生成率(即热力型NO)极低。火焰温度均在1 800 K及以下，热力型NO的形成很少[21]。

2.5 出口NO体积分数的计算值与实验值比较

将CFD计算得到的出口NO体积分数转换成干基及15%O2体积分数下的值，以对应实验数据。得到的反应机理出口NO体积分数的计算值与实验值[19]如表1所示。

表1 出口NO体积分数计算值与实验值的对比

Tab.1 Comparison of outlet NO concentration between calculated results and actual measurements

反应机理出口NO体积分数GRI3.01.95×10-6Skeletalmech1.92×10-68-stepsmech1.33×10-6GRI3.0_modify2.18×10-6实验值2.60×10-6

考虑到实验存在的不确定性及计算采用甲烷代替实验用的天然气等因素，GRI3.0及其简化机理Skeletal mech和修正机理GRI3.0_modify均对出口NO体积分数进行了准确预测，这3个反应机理的计算值与实验值较接近，分别相差25%、26%和16%；GRI3.0与其简化机理Skeletal mech的计算值基本一致，Skeletal mech在更少的计算时间(GRI3.0的一半)内很好地再现了GRI3.0对NO排放的预测，这与对NO生成率及摩尔分数分布的分析结论一致；而GRI3.0_modify的出口NO体积分数则高于GRI3.0和Skeletal mech的计算值，这同样与NO生成率及摩尔分数分布的分析结论一致，并且GRI3.0_modify的计算值更接近实验值，在相同的计算时间内，GRI3.0_modify通过改变原机理中的快速型NO子机理而提高了预测NO排放的准确度，计算值增加了0.23×10-6，准确度提高了9%。而8-steps mech的计算结果则与实验值偏差较大，相差约50%。

3 结 论

(1) 反应机理GRI3.0与其简化机理Skeletal mech和修正机理GRI3.0_modify的温度场基本一致；而8-steps mech 的计算域平均温度明显高于其他反应机理，同时其火焰长度明显更短。4个反应机理的NO生成地点主要在火焰表面；热力型NO生成很少，NO来源主要为快速型、N2O型及NNH型。

(2) GRI3.0与其简化机理Skeletal mech的NO生成率及摩尔分数分布基本一致，Skeletal mech很好地预测了GRI3.0的NO生成率及摩尔分数分布；而GRI3.0_modify在相同位置的NO生成率及摩尔分数比GRI3.0和Skeletal mech明显要高；8-steps mech在相同位置的NO生成率及摩尔分数则明显低于其他反应机理。

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(3) GRI3.0及其简化机理Skeletal mech和修正机理GRI3.0_modify均对出口NO体积分数进行了准确预测，这3个反应机理的计算值与实验值较接近，分别相差25%、26%和16%；而Skeletal mech在更少的计算时间内再现了GRI3.0对NO排放的预测；与GRI3.0相比，在相同的计算时间内GRI3.0_modify提高了预测NO排放的准确度，计算值增加了0.23×10-6，准确度提高了9%；8-steps mech的计算结果与实验值偏差较大，相差约50%。

参考文献：

[1] 清华大学热能工程系动力机械与工程研究所, 深圳南山热电股份有限公司. 燃气轮机与燃气-蒸汽联合循环装置[M]. 北京: 中国电力出版社, 2007: 124-135.

[2] ZELDOVICH J. The oxidation of nitrogen in combustion and explosions[J]. European Physical Journal A. Hadrons and Nuclei, 1946, 21: 577-628.

[3] LEFEBVRE A H, BALLAL D R. Gas turbine combustion[M]. 3rd ed. New York: CRC Press, 2010: 140-141.

[4] 蒋洪德. 加速推进重型燃气轮机核心技术研究开发和国产化[J]. 动力工程学报, 2011, 31(8): 563-566.

JIANG Hongde. Promote heavy duty gas turbine core technology development and industrial application in China[J]. Journal of Chinese Society of Power Engineering, 2011, 31(8): 563-566.

[5] GOMEZ-RAMIREZ D, KEDUKODI S, GADIRAJU S, et al. Gas turbine combustor rig development and initial observations at cold and reacting flow conditions[C]//ASME Turbo Expo 2016: Turbomachinery Technical Conference and Exposition. Seoul, South Korea: ASME, 2016.

[6] 王翰林, 雷福林, 邵卫卫, 等. 合成气燃气轮机燃烧室CFD模拟的模型选择及优化[J]. 中国电机工程学报, 2015, 35(6): 1429-1435.

WANG Hanlin, LEI Fulin, SHAO Weiwei, et al. Screening and modification of CFD models for syngas turbine combustor[J]. Proceedings of the CSEE, 2015, 35(6): 1429-1435.

[7] LU Tianfeng, LAW C K. Toward accommodating realistic fuel chemistry in large-scale computations[J]. Progress in Energy and Combustion Science, 2009, 35(2): 192-215.

[8] FRENKLACH M, BOWMAN T, SMITH G. GRI-Mech 3.0[EB/OL]. [1999-07-30].http://www.me.berkeley.edu/gri_mech/.

[9] KARALUS M F, FACKLER K B, NOVOSSELOV I V, et al. A skeletal mechanism for the reactive flow simulation of methane combustion[C]//ASME Turbo Expo 2013: Turbine Technical Conference and Exposition. San Antonio, Texas, USA: ASME, 2013.

[10] NOVOSSELOV I V, MALTE P C. Development and application of an eight-step global mechanism for CFD and CRN simulations of lean-premixed combustors[J]. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 2008, 130(2): 021502.

[11] MOSKALEVA L V, LIN M C. The spin-conserved reaction CH+N2→H+NCN: a major pathway to prompt no studied by quantum/statistical theory calculations and kinetic modeling of rate constant[J]. Proceedings of the Combustion Institute, 2000, 28(2): 2393-2401.

[12] VASUDEVAN V, HANSON R K, BOWMAN C T, et al. Shock tube study of the reaction of CH with N2: overall rate and branching ratio[J]. Journal of Physical Chemistry A, 2007, 111(46): 11818-11830.

[13] FENIMORE C P. Formation of nitric oxide in premixed hydrocarbon flames[J]. Symposium (International) on Combustion, 1971, 13(1): 373-380.

[14] WILLIAMS B A, SUTTON J A, FLEMING J W. The role of methylene in prompt NO formation[J]. Proceedings of the Combustion Institute, 2009, 32(1): 343-350.

[15] KONNOV A A. Implementation of the NCN pathway of prompt-NO formation in the detailed reaction mechanism[J]. Combustion and Flame, 2009, 156(11): 2093-2105.

[16] LAMOUREUX N, EL MERHUBI H, GASNOT L, et al. Measurements and modelling of HCN and CN species profiles in laminar CH4/O2/N2 low pressure flames using LIF/CRDS techniques[J]. Proceedings of the Combustion Institute, 2015, 35(1): 745-752.

[17] PILLIER L, IDIR M, MOLET J, et al. Experimental study and modelling of NOx formation in high pressure counter-flow premixed CH4/air flames[J]. Fuel, 2015, 150: 394-407.

[18] FUKUMOTO K, OGAMI Y. Combustion simulation technique for reducing chemical mechanisms using look-up table of chemical equilibrium calculations: application to CO-H2-air turbulent non-premixed flame[J]. Computers & Fluids, 2012, 66: 98-106.

[19] SIDWELL T, CASLETON K, STRAUB D, et al. Development and operation of a pressurized optically-accessible research combustor for simulation validation and fuel variability studies[C]//ASME Turbo Expo 2005: Power for Land, Sea, and Air. Reno, Nevada, USA: ASME, 2005.

[20] STRAKEY P A, YIP M J. Experimental and numerical investigation of a swirl stabilized premixed combustor under cold-flow conditions[J]. Journal of Fluids Engineering, 2007, 129(7): 942-953.

[21] 岑可法, 姚强, 骆仲泱, 等. 燃烧理论与污染控制[M]. 北京: 机械工业出版社, 2004: 414-415.

[22] FACKLER K B, KARALUS M F, NOVOSSELOV I V, et al. Experimental and numerical study of NOx formation from the lean premixed combustion of CH4 mixed with CO2 and N2[C]//ASME 2011 Turbo Expo: Turbine Technical Conference and Exposition. Vancouver, Canada: ASME, 2011.