低旋流燃烧火焰稳定机制与影响机理的研究

Lean premixed combustion is a proven method to reduce NOx emissions. Lean premixed flame is stabilized by high-swirl in the current gas turbine combustor which is highly susceptible to combustion-driven oscillations when operating at very lean conditions, as a result, further reduction of NOx emissions is limited. Low-swirl combustion is a novel manner of lean premixed combustion. Laboratory low-swirl flame can be stabilized at very lean and highly turbulent conditions with ultra-low NOx emissions..Low-swirl flame stabilization mechanisms at gas turbine conditions are not fully understood yet, thus a combined experimental and computational study is proposed to investigate the characteristics of low-swirl flame in gas turbine conditions. Main research works may include: turbulent features, flame propagation properties, fuel effects and other effects on flame behaviors. A better understanding of the nature of low-swirl flame can be archived based on the above research works. In-depth studies on the turbulence/flame interactions can be considered as the main innovations of this application. The ultimate goals of the study are to obtain the stabilization mechanism of low-swirl flame in theory, and offer guidance to its application in real gas turbine combustors.

贫预混燃烧是控制NOx排放的有效手段之一，燃气轮机中普遍采用强旋流来稳定贫预混的火焰，在极贫条件下会引起燃烧不稳定，制约NOx排放的降低。低旋流燃烧是一种新颖的贫预混燃烧方式，它通过发散的流场稳定自由传播的火焰，不存在高温回流区，因而NOx排放极低。目前燃机条件下低旋流燃烧的火焰特性和稳定机制尚存在研究的空间，拟申请的研究内容将围绕这一目标展开。拟定研究内容：1）燃机条件下低旋流燃烧的湍流特性和火焰特性；2）燃料灵活性影响；3）湍流与火焰的相互作用机制。申请人拟将实验研究、数值模拟研究和理论分析结合以实现研究的目的。这一研究将有助于低旋流火焰本质特性的诠释。主要创新之处体现在：对低旋流燃烧过程中湍流与火焰的相互作用展开深层次的研究与分析。研究的最终目的是从理论上揭示燃机条件下低旋流燃烧的火焰稳定机制及其影响机理，为该技术在燃机上的应用提供理论支撑。

贫预混燃烧是控制NOx排放的有效手段之一，燃气轮机中普遍采用强旋流来稳定贫预混的火焰，在极贫条件下会引起燃烧不稳定，制约NOx排放的降低。低旋流燃烧是一种新颖的贫预混燃烧方式，它通过发散的流场稳定自由传播的火焰，不存在高温回流区，因而NOx排放极低。.本项目通过理论分析、数值模拟及试验研究相结合的手段，对低旋流喷嘴在燃机条件下的流场特性、燃烧特性以及火焰与涡的相互作用规律等科学问题展开了细致的研究，并得到了以下几点主要结论：.1.低旋流喷嘴在出口处的流场特性及火焰形态与传统的强旋流喷嘴有较大的差异，二者稳定火焰的机制也不同。强旋流喷嘴出口处的中心回流区强度大且与中心体相连，火焰稳定于内剪切层且附着在中心体边缘，而低旋流喷嘴的中心直流使喷嘴出口近场中心区域为发散区，之后为较弱的回流区且前缘呈W型，火焰稳定于内剪切层和中心发散区，呈W型的抬升火焰；.2.在燃气轮机燃烧室运行参数下，低旋流喷嘴出口近场中心区域的无量纲轴向速度分布具有发散自相似的特性。火焰锋面稳定在湍流火焰速度等于气流速度的位置，W型抬升火焰的抬升高度不受运行参数的影响，只受自身几何结构参数的影响；.3.采用大涡模拟的手段研究了低旋流火焰与流场中大尺度涡的相互作用，并选取了流场中若干个测量点，结果表明其脉动压力的主频都是39Hz的整数倍，冷热态流场都存在大尺度涡结构和进动涡核。低旋流火焰分为外侧附着火焰和内部抬升火焰，内部抬升火焰锋面周期性地出现W型的大尺度褶皱，与实验现象一致，这是由于内剪切层脱落的旋涡不断将火焰卷向上游，而在喷嘴出口的中心低速区内部，火焰前锋被中心直流气流推向下游，流场对火焰的这两种作用之间的竞争导致在火焰锋面前缘呈现W型。低旋流火焰的中心低速区是自由传播火焰，实质上是依靠高速内剪切层中的旋涡来稳定的。