基于扩散/预混耦合燃烧的分层双火焰相互作用及其稳定机制研究

Centrally staged combustion is a key technique entensively used in the low emission combustor and high temperature rise combustor, resulting in improvement in ignition and lean blow off, reduction in pollution emission expecially NOx, extension in operating condition of combustor. The characteristic of staged combustion is centrally stratified flame.There were very few researches for interaction and stabilizion mechanism of stratified dual-flame based on diffusion/patially premixed coupling combustion.Therefore, this fund project works on the staged combustion with a co-annular dual-swirl air inlet. The PIV, PILF and higt speed digital camera are used to measure the flow fields under different inlet swirl intensity, downstream of the stabilizer，and the simulation is also carried out to explore the mechanism of the stratified jet mixing flow as an assistant of the measurement. And the influence of air to fuel distribution between the premixed/premixed and pexmied/diffusion on shape of stratified dual-flame are investigated. Based on these, the mechanism of interaction between dual-flame and the stabilizion mechanism of stratified flame will be analysed deeply.The foundation item will explor the correlation criterion among the stable stratified combustion, different AFR and swirl intensity of inlet air.The research achivement can provide some theoretical support for design and optimization of high performing staged combustor.

中心分级燃烧是航空发动机和地面燃气轮机低排放燃烧室和高温升燃烧室的核心关键技术，它对于改善点火和贫油熄火、降低污染物排放尤其是NOx和拓宽燃烧室稳定工作范围有显著的效果，其火焰特性为中心分层火焰，其双火焰相互作用的机理和火焰稳定机制的认识还不足。本基金项目拟以同心双旋流扩散/预混分级燃烧为研究对象，以PIV、PILF和高速摄像仪等为测试手段，并辅之以数值分析，对冷热态流场特性进行对比分析，揭示分级射流掺混机理，探索两级不同进口旋流强度下稳定器下游流场特性及其演变过程。研究预混/预混和扩散/预混两级不同油气比分配对分层火焰形态的影响，分析双火焰相互作用的机理和分层火焰的稳定机制，寻求分层火焰稳定燃烧与分级油气比、进气旋流之间的关联准则，为高性能分级燃烧室的优化设计提供基础性的理论支撑。

扩散/预混分级耦合燃烧方案是低排放燃烧室和高温升燃烧室的核心关键技术，它可以兼顾拓宽燃烧室稳定工作范围和燃烧性能。中心值班级采用富油扩散燃烧，来拓宽燃烧室稳定工作边界，外侧同心主燃级采用贫油部分预混燃烧，改善燃烧效率并降低排放。本基金项目以同心双旋流扩散/预混分级燃烧为研究对象，通过CFD数值模拟研究了分级进气条件下燃烧室冷态及热态流场特性，重点分析了旋流强度和两级当量比对回流区形状和大小的影响。PIV、PILF为测试手段对冷热态流场特性进行测试分析，揭示分级射流掺混机理，探索两级不同进口旋流强度下、不同旋流叶片角度和不同压力损失下稳定器下游流场特性及其演变过程。通过对值班级和主燃级对点火和熄火的实验研究，并结合头部方案流场和雾化、液滴尺寸、燃油分布特性的深入分析，认识到影响分级燃烧点火与熄火的关键因素是火核传播和火焰稳定。基准方案由于其主燃级旋流较弱，使得核心火团难以向回流区传播，预燃级燃油分布呈空心结构，未能满足稳定燃烧要求，导致其点火失败。为了改善火核传播和火核稳定的问题，需要增加回流区的尺寸，这就相应需要增加主燃级气流旋流强度，让主燃级空气参与回流区的形成。通过取消扩张段加强值班级级燃油分布集中性，解决了预燃级点火问题，当预燃级采用非旋叶片旋流器时，点熄火边界变窄，且火焰较长；且主燃级采用弱旋方案影响燃烧室稳定工作，会造成点熄火性能急剧恶化。通过常压常温下通过不同参考速度下、两级不同燃油分配比例对分层稳焰的实验对比分析，研究发现值班级与主燃级共同工作时，燃油在空间上实现了分区/层，值班扩散/主燃级预混火焰分区并且具有耦合作用，燃油空间分布结构与耦合火焰形态特征一致。在值班区单独工作时如果发生熄火，则在同一工况下，相同值班级燃油量时，无论主燃级燃油增加再多，耦合燃烧同样会发生熄火现象，也即是没有值班扩散火焰的存在，主燃级火焰点燃，也无法稳定燃烧。内层扩散火焰对耦合燃烧起决定性的稳定作用。当值班燃油比例大于40%时，值班扩散火焰占优，扩散火焰在耦合火焰中的形态可辨，其位置在旋流器出口下游中心回流区内。而当值班燃油所占比例小于35%左右时，中心扩散火焰发生吹熄现象，熄火油气比为0.004-0.006之间。这些研究内容揭示了双火焰相互作用的机理和分层火焰的稳定机制，为高性能分级燃烧室的优化设计提供基础性的理论支撑和指导作用。