燃料分级策略对中心分级旋流燃烧器中燃烧过程和排放物的影响：实验与数值研究

《Fuel》：Effects of fuel staging strategy on combustion and emissions in a centrally-staged swirling combustor: experimental and numerical investigations

本研究开发了一种具有双级涡流结构和三级燃料供给的中心分级燃烧室，通过实验和数值模拟，揭示了不同燃料分级策略对燃烧与排放的影响规律。结果表明，在相同燃料分级模式下，降低第二主燃料比例至80%会压缩燃料间距，增强高温区，扩大快速热NOx生成区；而保持90%的第二主燃料比例可最小化NOx排放至48.10 ppm，同时CO排放为2.60 ppm。优化燃料分级需平衡空间分离与分级比例，以协调燃烧与减排。

　　在当今全球环境法规日益严格的背景下，降低燃气涡轮发动机燃烧室中的污染物排放已成为一项关键任务。现代航空、船舶和工业燃气涡轮发动机燃烧器广泛采用了多种低排放燃烧技术，以实现更低的燃料消耗和更清洁的排放。这些技术通常包括富燃燃烧、淬火、贫燃燃烧（RQL）；贫燃预混预蒸发（LPP）；贫燃直接喷射（LDI）；以及可变几何燃烧器（VGC）等。其中，燃料分层策略在实现燃烧室性能优化方面扮演着重要角色，它不仅能够提升燃料与空气的混合效率，还能有效控制燃烧过程中的温度分布和火焰结构，从而减少氮氧化物（NOx）和一氧化碳（CO）等有害排放物的生成。

燃料分层策略的核心在于合理安排燃料的供给方式和比例，使其在燃烧室内形成有利于燃烧的分布模式。在某些燃烧器中，通过分层喷射燃料，可以实现对火焰形状的调控，进而影响燃烧效率和排放特性。研究表明，不同燃料分层模式和比例对燃烧过程具有显著影响，例如，调整燃料喷射位置和燃料比例可以改变燃烧室内的温度分布，进而影响NOx的生成区域和其浓度水平。此外，燃料分层策略还能够改善燃烧稳定性，避免燃烧过程中的熄火现象。

在研究中，通常采用实验和数值模拟相结合的方法，以全面评估燃料分层策略对燃烧室性能的影响。实验方法包括燃烧特性测试、温度测量、火焰结构观察等，而数值模拟则通过计算流体力学（CFD）技术，对燃烧室内的流场、燃料喷射、混合过程、火焰传播和污染物生成等进行建模和分析。这些方法能够提供详细的燃烧室内部物理现象描述，帮助研究人员更好地理解燃料分层策略的作用机制。

在某些燃烧器设计中，采用了轴向分层、径向分层或中心分层等不同类型的分层结构。中心分层燃烧器因其结构紧凑、混合均匀、燃烧效率高等特点，成为当前研究的重点。在本研究中，设计了一种具有两阶段旋流结构和三阶段燃料供给的中心分層燃烧器，并通过实验和数值模拟分析了不同燃料分层模式和比例对燃烧室性能的影响。研究发现，在全负荷条件下，旋流和冷却空气的比例基本保持在77%和23%左右，而在第一阶段旋流器的外侧通道中，空气流速较高，这有助于形成稳定的V形火焰结构。同时，燃料分布呈现出分层现象，进一步促进了燃烧过程的稳定性和高效性。

在燃料分层策略中，燃料比例和喷射位置的调整对燃烧室内的温度分布和火焰结构具有重要影响。例如，当燃料比例保持不变时，主燃料的喷射位置变化会导致其与中心燃料之间的空间分离度发生改变，从而影响火焰的扩展方向和温度分布。在相同燃料分层模式下，主燃料比例的降低会缩小其与中心燃料之间的空间距离，提高燃料浓度，进而形成更紧凑的火焰结构，并推动高温区域向热屏蔽方向扩展，这有助于扩大快速热NOx生成区域。另一方面，当主燃料比例增加时，燃料与空气的混合更加充分，燃烧室内的温度分布更加均匀，从而降低NOx的生成浓度。

此外，研究还发现，在相同的燃料分层比例下，主燃料比例的变化对燃烧室内的温度分布和火焰结构具有显著影响。例如，当主燃料比例降低至80%时，其与中心燃料之间的空间分离度减小，燃料浓度提高，从而形成更紧凑的火焰结构，并推动高温区域向热屏蔽方向扩展，这有助于扩大快速热NOx生成区域。同时，燃料比例的调整还能够影响燃烧室内的热NOx生成区域，其中高温区域的扩展是主要影响因素。研究表明，当燃料比例保持在90%时，能够实现最低的NOx排放水平，达到48.10 ppm，同时CO排放水平为2.60 ppm，这表明该燃料分层策略在减少污染物排放方面具有显著优势。

燃料分层策略的优化不仅需要考虑燃料比例的调整，还需要关注燃料喷射位置和喷射方式的合理安排。例如，在中心分层燃烧器中，燃料喷射位置的变化能够影响燃料与空气的混合效率，进而影响燃烧室内的温度分布和火焰结构。同时，燃料喷射方式的调整，如采用多点喷射或改变喷嘴几何形状，也能够显著影响燃烧室的性能。这些研究结果表明，燃料分层策略的优化是一个系统性工程，需要综合考虑多个因素，包括流场特性、燃料喷射、混合效率、火焰结构、温度分布以及污染物生成等。

在实际应用中，燃料分层策略的优化不仅有助于降低污染物排放，还能提高燃烧效率和燃烧稳定性。例如，在某些燃烧器中，通过合理调整燃料比例和喷射位置，可以实现更高的燃烧效率，同时减少NOx和CO的生成。此外，燃料分层策略还能够提高燃烧器在不同工况下的适应能力，使其在高负荷和低负荷条件下均能保持良好的燃烧性能。这些研究成果为先进低排放燃烧器的设计提供了重要的理论依据和实践指导。

总的来说，燃料分层策略在降低污染物排放和提高燃烧效率方面具有重要意义。通过实验和数值模拟相结合的方法，可以全面评估不同燃料分层模式和比例对燃烧室性能的影响。研究发现，合理的燃料分层策略能够有效控制燃烧室内的温度分布和火焰结构，进而减少NOx和CO的生成。此外，燃料分层策略的优化还需要考虑燃料喷射位置和喷射方式的合理安排，以实现更高的燃烧效率和燃烧稳定性。这些研究结果不仅为燃烧器设计提供了重要的参考，也为未来研究指明了方向。