合成气旋流预混燃烧热声振荡和回火及其相互作用机理的研究

合成气旋流预混燃烧技术可以实现极低污染排放，有可能成为应用于IGCC和煤炭多联产系统中低热值合成气燃料干低污染燃烧的最佳解决方案，但是需要解决其中的热声振荡和回火等关键问题。本课题首先是跟踪国内外最新的实验和理论研究成果，结合已有的实验和数值模拟分析结果，发展出一套高效的合成气旋流预混燃烧的大涡模拟方法。再通过中压模型燃烧室实验研究燃烧室结构、合成气组分、系统参数与热声振荡和回火特性的对应关系，总结规律，分析燃烧系统的热声振荡和回火及其相互作用机理。最后借鉴非线性科学取得的成果，根据实验和数值模拟得到的系统的非线性特性和规律，利用非线性动力学的理论建立比较简单的反映燃烧系统特性的动力学方程（组），通过模型来研究热声振荡和回火及其相互作用的机理，为自主设计燃气轮机合成气干低污染燃烧室提供理论基础和促进热声热机研究的发展。

基本完成项目申请书的计划内容。.首先，通过三维数值计算的方法研究了旋流强度、预混燃料喷射方向、喷杆周向位置和值班比等参数对燃烧室内流动特性和燃烧特性的影响。研究发现，预混燃料采用向心喷射时的预混效果较好，采用离心喷射时则容易造成预混通道中心区燃料过富；喷杆位置对预混通道内的燃料分布影响明显；增大值班比有利于火焰的稳定，但会增加高温区范围，造成NOX排放的增加。. 研究了合成气预混燃烧系统的非线性动力学建模，并用于研究了燃烧室中热声振荡的相关判据和驱动和阻尼机理以及理论和模型分析方法，总结了一套动态数据处理方法，包括统计方法、自相关方法、相空间重构方法、傅立叶变换、小波变换、离散和连续功率谱估计等，作为动态压力和动态化学发光强度等动态数据的时域和频域分析方法。.设计建造了中压燃烧试验台，可进行多种燃料燃烧的中、低压实验，具有空气流量、空气温度、燃料流量可调范围大、调节灵活的特点，利用该试验台对各种不同组分模拟合成气在三种多旋流模型燃烧室中进行预混燃烧实验研究。对于七旋流的同向和反向旋流燃烧室，随着氢气含量的减少，起振临界当量比变大，热声振荡的最大振幅变大。多旋流合成气预混燃烧热声振荡的起振过程是一种非线性分叉过程。通过动态压力的相空间重构相图分析了热声振荡的极限环特性，认识到热声振荡的起振和振幅大小不仅仅是取决于静态的系统参数，还和系统参数的变化率紧密相关。通过小波变换对动态压力进行连续功率谱分析，观察到热声振荡的起振先兆——小幅度间歇性的压力振荡、热声振荡发展过程中振荡幅值存在间歇性的高低变化和回火啸声的间歇性的振荡。通过peclet数模型的比较，可以看到与单旋流燃烧室相比，多喷嘴燃烧室回火稳定性明显改善。.总之，本项目通过数值模拟、实验测试和非线性分析，对热声振荡和回火及其相互作用的机理进行研究，获得了一些普遍的规律。为进一步的实验研究、理论和模型分析以及数值模拟工作奠定了基础，从而为富氢燃料干低污染燃气轮机的设计改造提供技术支持。