2023年第38卷第5期文章目次

周力行

2023, 38(5):1.

[摘要](552) [HTML](0) [PDF 11.06 M](325)

摘要:
从19世纪开始，燃烧学的发展先后经历了燃烧热力学，燃烧反应动力学，燃烧物理学和反应流体力学等阶段。原来的燃烧理论只能定性地用于工程设计中。从20世纪70年代左右开始，〖JP3〗由于大型数字计算机的产生和计算流体力学的出现，燃烧学发展到燃烧的数值模拟，先后出现了〖JP2〗雷诺平均模拟、大涡模拟和直接数值模拟，可以把燃烧理论定量地用于燃烧装置的设计中。本文对燃烧学发展的几个里程碑进行了回顾，希望能和燃烧界同行们进行交流。

2 氢燃料微混燃烧技术研究进展

邱朋华，卢成，张林瑶，邢畅

2023, 38(5):14.

[摘要](517) [HTML](0) [PDF 8.69 M](274)

摘要:
微混燃烧技术采用数量众多、结构简单的微型喷嘴替代传统的大直径喷嘴，主要目的是通过减小喷嘴直径，提高微混喷嘴的混合强度，从而提高预混气的混合均匀度，以促进H2在燃气轮机中的安全稳定燃烧，并降低NOx排放。本文总结了氢燃料微混燃烧技术的研究进展，对H2在燃气轮机中的工业化应用中进行了探索。结果表明：微混燃烧技术在H2稳定燃烧及降低NOx排放方面表现出巨大的潜力。目前，已经发展了纯氢燃烧的微混燃烧技术，该技术最终有望在燃气轮机中大规模应用。

3 折流燃烧室几何结构简化和流量统计对比

王方，甘甜，王煜栋，金捷

2023, 38(5):24.

[摘要](396) [HTML](0) [PDF 5.89 M](255)

摘要:
针对航空发动机燃烧室的高保真数值模拟需求，基于自研软件AECSCIBM对某型带甩油盘的折流燃烧室的简化结构几何模型和高保真几何模型进行冷态工况数值模拟。结果表明：该折流燃烧室在几何结构上的不同会使得燃烧室的流量分配和流场结构出现差异，在流量分配上简化结构几何模型的3股气流占比分别是16.26%，26.74%和57%，高保真几何模型3股气流占比分别是21.23%，17.58%和61.19%；在流场结构上，高保真折流燃烧室的主燃区位置靠近火焰筒外壳前端，而简化结构折流燃烧室的主燃区域明显靠后。

4 甲烷预混多喷嘴阵列燃烧器热声振荡模态实验研究

任乐乐，熊燕，刘志刚，杨柠菁

2023, 38(5):30.

[摘要](276) [HTML](0) [PDF 11.22 M](276)

摘要:
以多喷嘴阵列燃烧器为对象，研究了甲烷预混模式下不同当量比燃烧的自激热声振荡特性，实验过程中同步测量了热释放率和压力脉动信号并获取了OH*时序图像。利用相空间重构和本征正交分解分别解析了压力脉动、反应区相干结构和各阶模态能量占比。研究结果表明，在当量比0.62~0.85范围内，随着当量比增加，燃烧室内依次出现低频振荡、稳定燃烧、间歇振荡和极限环振荡4种典型燃烧状态；当发生极限环振荡时，压力重构曲线为极限环，其轴线附近没有数据点分布，前3阶能量占比达到70%以上，反应区沿轴向发生明显的交替变化，沿径向具有较好的对称性和均匀性；稳定燃烧时，重构曲线凝成一团，前20阶能量占比不足25%，不存在明显的主频，瞬态火焰形态具有较好的一致性；甲烷预混多喷嘴阵列燃烧器的自激振荡模态为单一轴向振荡模态，和传统旋流燃烧有很大的不同，这可为后续进一步开展多喷嘴阵列燃烧器热声产生机理和抑制方案的研究提供参考。

5 基于FGM模型的同轴射流非预混火焰大涡模拟

范瑞虎，张腾，李井华，颜应文

2023, 38(5):42.

[摘要](408) [HTML](0) [PDF 4.73 M](295)

摘要:
为研究燃气轮机模型燃烧室的非预混燃烧流场，采用大涡模拟方法分别结合火焰面生成流形模型（FGM）和部分预混稳态火焰面模型（PSFM）对甲烷/空气同轴射流非预混燃烧室开展了数值模拟研究，并与试验结果进行对比。结果表明：FGM所预测的速度分布、混合分数分布、燃烧产物及CO分布与试验结果更符合；两种模型均能捕捉到燃烧室中的火焰抬举现象；燃烧过程中的火焰结构较为复杂，同时存在预混燃烧区域和扩散燃烧区域，扩散燃烧主要分布在化学恰当比等值线附近，预混燃烧区域主要分布在贫油区。

6 二甲醚湍流射流推举火焰的燃烧机理研究

谭莉，亢银虎，卢啸风

2023, 38(5):50.

[摘要](191) [HTML](0) [PDF 8.12 M](224)

摘要:
采用直接数值模拟方法对二甲醚(Dimethyl Ether，DME)射流推举燃烧进行了研究（DNS），分析了DME射流推举火焰结构、燃烧模式和推举稳定机理。数值模拟工况条件为：燃料由狭缝射出，初始温度500 K，射流速度138 m/s；伴流空气的初始温度1 000 K，流速3 m/s，压力为0506 6 MPa。研究表明：DME射流推举火焰与传统的边火焰有很大不同，在射流核心区内存在1条低温放热分支以及紧随其后的中温着火分支，并且推举稳定点位于贫燃侧；DME湍流射流推举火焰包含冷焰反应区(Cool Flame Zone，CFZ)、中温反应区(IntermediateTemperature Zone，ITZ)、富燃高温区(HighTemperature Rich Burn Zone，HTR)以及贫燃高温区(HighTemperature Lean Burn Zone，HTL)4种模式；在CFZ与ITZ区内湍流混合占主导，并且湍流混合会抑制低温放热；在HTR与HTL区内放热速率占主导地位，但是湍流会显著增强超贫燃区间内的高温放热速率；大部分热量在HTL和HTR区产生，而CFZ和ITZ区对总体产热的贡献微乎其微，但是所产生的中低温组分加快了高温着火过程；射流推举稳定性由贫燃侧的高温自着火反应机制所控制。

7 半封闭狭窄通道内甲烷/空气预混火焰传播不稳定性实验研究

朱稳初，张露，康鑫

2023, 38(5):57.

[摘要](367) [HTML](0) [PDF 5.49 M](220)

摘要:
对长、宽、高为650 mm×400 mm×12 mm的半闭口狭窄矩形通道（海伦-肖装置）内的甲烷/空气层流预混火焰传播过程进行了实验研究，探究当量比φ在0.6~1.2范围内、火焰传播角度ω在垂直向下-90°至垂直向上90°区间对火焰前锋轮廓发展及非标准层流火焰速度的影响。结果表明：火焰在通道内的传播分为热膨胀、准稳态传播和端壁效应3个阶段，每个阶段具有各自不同的前锋轮廓特征。由于瑞利-泰勒不稳定性机制的作用，所有当量比工况下向上传播的火焰均在准稳态传播阶段中呈现出明显的锋面褶皱与胞状结构；对向下传播的火焰而言，其在贫燃工况（φ为0.6，0.8）下的胞状不稳定性得到了有效抑制，而在当量比φ=1.0及富燃工况（φ=1.2）下，该稳定性效应并不显著。火焰瞬时速度与标准层流速度的比值Ui/UL，在φ=0.6的极贫燃工况与其他当量比工况下展现出明显不同的发展特性，极贫燃工况火焰向上传播时（ω=90°），Ui/UL随着传播过程的进行一直增大，直到火焰触碰壁面末端熄灭，整个过程Ui/UL与火焰传播方向呈正相关关系；而对于其他当量比工况，Ui/UL在传播过程中均先升高后下降，火焰触碰壁面末端熄灭前其值趋于稳定，其平均速度与标准层流速度的比值Ua/UL在水平传播（ω=0°）时达到最大值。

8 燃气轮机燃烧室液雾自燃延迟时间预测方法

邹鹏飞，王义民，默静飞，毛荣海

2023, 38(5):65.

[摘要](457) [HTML](0) [PDF 5.31 M](242)

摘要:
针对贫油预混预蒸发燃烧室主燃级中横喷液雾现象进行研究，综合考虑RP-3航空煤油横喷液雾的雾化、蒸发和自燃过程构建自燃预测模型，基于CH基团随时间的变化规律对自燃延迟时间进行预测。结合试验测试结果对模型进行校验，并进一步分析温度、压力、流速、射流动量比等变量对自燃延迟时间的影响规律。结果表明：对于直射式喷嘴形成的横喷液雾，其下游的油气分布主要受射流动量比和流动速度的影响，射流动量比决定了液雾的总体油气比，流动速度则主要影响液滴的粒径及其蒸发时间；随着压力、射流动量比及气流速度的增加，自燃延迟时间均会缩短，相比于预混燃料液雾的自燃延迟时间受负温度效应的影响较弱。

9 一体化加力燃烧室燃烧性能数值研究

向缘酝，李伟，刘云鹏，颜应文

2023, 38(5):71.

[摘要](396) [HTML](0) [PDF 8.35 M](221)

摘要:
为减少一体化加力燃烧室内支板火焰稳定器高度与进口试验参数较高所导致的昂贵基础试验成本，采用经试验数据验证的数值计算方法，对不同高度的一体化模型加力燃烧室燃烧性能进行数值模拟，分析模型加力燃烧室高度变化和侧壁边界层效应对一体化加力燃烧室回流区、总压恢复系数以及燃烧效率的影响。在保持空间油雾场分布均匀与阻塞比一致的前提下，简化扇形加力燃烧室模型为矩形加力燃烧室模型，其中模型加力燃烧室高度H分别为200，150和100 mm，总长L=1 480 mm，宽B=125 mm。结果表明：模型加力燃烧室高度的降低对燃烧性能影响较小，其中回流率最大降幅为0.16%，总压恢复系数最大降幅为0.15%，燃烧效率的最大降幅为1.9%；模型加力燃烧室侧壁面边界的引入对燃烧性能影响较小，回流率、总压恢复系数最大降幅均小于1%，燃烧效率的最大降幅仅为0.7%；可以采用单支板火焰稳定装置降低高度的方法简化试验件设计。

10 基于正交设计的分级分区头部流动特性研究

金九生，刘云鹏，颜应文，赵宁波

2023, 38(5):80.

[摘要](405) [HTML](0) [PDF 3.30 M](227)

摘要:
针对某两级中心分级分区单头部燃烧室结构参数对头部下游流场结构的影响，采用数值模拟结合正交设计的方法研究了头部结构参数（一/二级旋流数、值班级套筒张角、隔离段高度比）的变化对燃烧室流动特性的影响规律和程度。结果表明：中心回流区最大宽度随着二级旋流数、隔离段高度比、一级旋流数、值班级套筒张角4个结构参数的增大而增大，并且影响程度依次降低；中心回流区长度随着一/二级旋流数的增大而增大，套筒张角和隔离段高度比则对中心回流区长度的影响程度较小；值班级和主燃级旋流器的旋流数偏大以及值班级套筒张角偏大都会导致台阶回流区消失

11 富氧燃烧对投运混煤锅炉低负荷稳燃性的影响

李可君，李芳芹，任建兴，刘鑫

2023, 38(5):88.

[摘要](129) [HTML](0) [PDF 5.63 M](237)

摘要:
针对某650 MW超超临界燃煤锅炉在深度调峰过程中燃用大同烟煤时无法稳定燃烧的情况开展研究，就如何提高锅炉在低负荷运行中稳燃性的问题，对原煤种进行掺混改良，改变不同富氧燃烧配风方式，利用计算流体力学模拟软件模拟了不同工况的炉内燃烧情况。模拟结果表明：由于锅炉降低负荷运行增加了原煤种的着火难度，固定碳含量低且挥发分高的煤种可以较好适应锅炉运行调整；富氧燃烧可以提高锅炉低负荷运行时的出口烟温，能满足后续脱硝处理的要求；随着富氧燃烧程度的增大，煤粉燃烧耗氧量增加，每秒燃烧的煤粉颗粒数增加，加剧了炉内的燃烧，使燃烧更稳定；当富氧浓度大于27%时，不能高效提高炉内温度，NOx排放量增多；当富氧浓度为27%时，炉膛出口NOx排放量按6%O2折算为负增长的最小值，是该锅炉低负荷投运较为理想的工况。

12 火焰筒扩张角与旋流匹配对燃烧特性的影响

刘凯，姜广仁，曾文

2023, 38(5):97.

[摘要](447) [HTML](0) [PDF 5.33 M](212)

摘要:
火焰筒头部结构对预混燃烧性能有重要影响，为了探讨旋流器与火焰筒扩张角相互作用关系，试验研究了扩张角为35°（渐扩）、90°（突扩）的火焰筒分别匹配旋流数为0.55，0.75旋流器对燃烧性能的影响。试验结果表明：渐扩火焰筒总压损失较突扩火焰筒减小约3.4%~4.4%，且匹配较小旋流数具有更高的总压恢复系数；突扩火焰筒较渐扩火焰筒具有更低的贫油熄火极限，且无论突扩火焰筒还是渐扩火焰筒，匹配较大旋流数旋流器后均具有更低的熄火极限；突扩型火焰筒温度场对旋流器适应性好，各旋流数下均获得较均匀温度场，出口温度分布系数为0.134 1~0.141 6；渐扩火焰筒温度场对旋流器适应性差，匹配较小旋流数旋流器后温度场均匀性更好，出口温度分布系数为0.135 7；突扩火焰筒NOx排放量更低，且匹配小旋流数旋流器更佳；渐扩火焰筒CO和碳氢化合物（UHC）排放更低，且匹配大旋流数旋流器更佳。

13 旋流器流量分配对燃气轮机燃烧性能的影响研究

郑玮琳，李晓东，李洁，马宏宇

2023, 38(5):103.

[摘要](385) [HTML](0) [PDF 8.35 M](232)

摘要:
为研究旋流器流量分配对干式低排放(Dry Low Emission，DLE)燃烧室燃烧特性的影响规律，针对单头部中心分级旋流燃烧室，以天然气作为燃料，在保持旋流数不变的前提下开展两级旋流器不同空气分配比例下的试验测试和数值模拟，获得不同结构参数条件下燃烧室的综合燃烧性能以及污染物排放等变化规律。研究表明：随主燃级/预燃级旋流器流量比增大，燃烧室中心回流区变小、回流区长度变短；预燃级局部当量比的增大造成燃烧室出口CO排放增加，主燃区燃烧加剧，热力型NOx排放也增加；同时，燃烧室中心高温区域向燃烧室出口方向扩张，出口温度分布均匀性变差。

14 基于动态标杆值的电站锅炉燃烧控制优化

廖彭伟

2023, 38(5):111.

[摘要](330) [HTML](0) [PDF 1.65 M](213)

摘要:
目前锅炉燃烧控制主要依靠人工手动调整，为解决运行经验差异导致锅炉燃烧性能差异的问题，提出了一种基于动态标杆值的电站锅炉燃烧控制优化方法。在建立燃烧模型的基础上，以归一化经济与环保指标得到综合效益因子作为寻优判据，对历史工况进行数据挖掘，实现全工况下基于动态标杆值的运行参数自主寻优和更新，使锅炉燃烧、污染物排放相互协调。该方法已于某燃煤电站成功实践，结果表明：在应用案例中，寻优推送后综合效益因子提高了4.34%，使得锅炉热效率和NOx排放质量浓度相互协调更优。

15 空气分级比对同轴分级燃烧室性能参数的影响

孙继昊，罗绍文，赵宁波，郑洪涛

2023, 38(5):117.

[摘要](340) [HTML](0) [PDF 11.80 M](276)

摘要:
为掌握同轴分级燃烧室性能参数随空气分级比（主燃级空气流量的比值）的变化规律，以某同轴分级燃烧室为研究对象，数值分析了空气分级比对燃烧室的燃烧效率、总压损失、出口温度分布、污染物排放和绝热壁面最高温度的影响。结果表明：空气分级比主要会改变角涡位置的燃烧温度和高温烟气的停留时间；随着空气分级比的升高，燃烧室总压损失、出口温度分布系数、NOx排放、绝热壁面最高温度逐渐升高，但燃烧效率、CO污染物排放、径向温度分布系数对空气分级比不敏感；在同轴分级燃烧室设计中，在保证燃烧稳定的前提下可采用较小的空气分级比以实现燃烧室高效、低阻、低污染燃烧。

16 旋流角度和压降对分级燃烧室流场和雾化的影响研究

杨晓丽，刘富强，穆勇，徐纲

2023, 38(5):126.

[摘要](202) [HTML](0) [PDF 33.14 M](219)

摘要:
为了得到不同结构参数及气动参数下的油气掺混特性，采用粒子图像测速与平面激光散射方法研究副模旋流器旋流角度、旋流器压降对中心分级燃烧室头部流场与燃油分布的影响。结果表明：在常温常压状态，随着副模旋流角度的增大，副模燃油喷雾锥角增加，台阶回流区减小，中心回流区增大，主副模射流在喷嘴下游轴向位置更近处发生融合；随着旋流器压降的增加，主副模射流增强，中心回流区最大宽度增大，副模燃油喷雾锥角微弱减小，但主模燃油的分散特性得到明显改善；副模与主模燃油在场内浓度峰值位置受耦合影响较小，主模射流轨迹附近的破碎状态在主副模燃油单开的叠加场中与耦合场中的结果差别较大。

17 乙醇微型燃烧室燃烧特性的数值模拟研究

刘栗，李爱寒，邢畅，邱朋华

2023, 38(5):137.

[摘要](104) [HTML](0) [PDF 6.11 M](267)

摘要:
为了解决化石燃料储备不足与环境污染问题，生物质燃料作为石油替代能源得到大力提倡，如何合理地将化石燃料替换为生物质燃料且维持设备正常运行成为工程上亟待解决的问题。本文采用CFD软件研究了车载5 kW生物乙醇微型燃烧室的燃烧特性，对比分析了不同功率（0.5~5 kW）和出口温度（840~960 K）时的回流区长度与宽度、回流量、出口温度分布系数（OTDF）、出口NO体积分数等特征参数。结果表明：随着出口温度升高，回流区长度逐渐缩短，回流量减少，出口温度均匀性逐渐变差，出口NO体积分数明显增加；随着燃烧室功率增大，回流区长度变长，回流量增加，OTDF先增大后减小，NO体积分数随着功率的降低而显著升高，最大值出现在1 kW时，达到满负荷时的7倍。因此，为了实现稳定燃烧和减少污染物排放，该乙醇微型燃烧室应在较高的空燃比（即较低的出口温度）和功率下运行。

18 微型燃气轮机改烧氨气/氢气混合燃料的数值模拟研究

宋权斌，赵仙娟，宋彦庆，刘瑞

2023, 38(5):146.

[摘要](407) [HTML](0) [PDF 6.91 M](255)

摘要:
通过数值模拟对某80 kW微型燃气轮机环形低氮燃烧室进行适当的改造并对其燃烧及NOx生成特性进行研究。研究结果表明：将烧天然气燃料的燃烧室改烧氨/氢混合燃料，在输出功率相同时燃料体积流量增大，通过增加燃料进气喷嘴的直径来降低燃料的进气速度；当掺氢比为0.3时，该结构的燃烧室燃烧不充分，燃烧效率达不到要求；当掺氢比在0.35~0.5、燃料华白数在19.9~21.7范围内变化时，该燃烧室可以实现高效稳定的燃烧，性能接近燃烧天然气燃料；氨/氢混合燃料中掺氢比增大，则NOx排放量也快速增大；由于燃料型NOx排放量占主导地位，该微型燃气轮机燃烧室不能实现低NOx燃烧，NOx排放远超国家标准，需要加装脱硝装置才能实际应用。

19 低排放燃烧室空气雾化喷嘴射流破碎特性研究

陆景贺，李珊，傅琳，刘潇

2023, 38(5):154.

[摘要](366) [HTML](0) [PDF 7.23 M](235)

摘要:
针对当前广泛应用于低排放燃气轮机燃烧室中的空气雾化喷嘴，采用大涡模拟（Large Eddy Simulation，LES）和流体体积法（Volume of Fluid，VOF）研究了其在流动模糊（Flow Blurring，FB）和流动聚焦（Flow Focusing，FF）模式下射流一次破碎过程的差异。结果表明：两种模式的射流一次破碎过程均可分为3个阶段，气液交界面波动阶段、射流发展阶段和射流破碎阶段；喷嘴内部回流区的演变决定了气液交界面的波动程度，流动模糊模式下射流在后两个阶段的径向速度和形态变化程度均远高于流动聚焦模式，气泡回流过程在其射流破碎阶段占据主导地位，液体管道内气泡分布位置与涡的强度呈正相关。

20 低排放燃烧室燃料空气预混均匀性研究

刘恩惠，刘世铮，刘潇，郑洪涛

2023, 38(5):162.

[摘要](422) [HTML](0) [PDF 5.48 M](235)

摘要:
为了解决燃料与空气均匀预混的问题，以气态燃料-低排放塔式同轴分级燃烧室为研究对象，采用数值模拟与实验设计数理统计方法相结合，研究了主燃级叶片角、叶片数、燃料速度和单面孔数对燃料和空气预混特性的影响，筛选出对燃料空气预混均匀性影响的显著项，并拟合得出均匀性的预测公式。结果表明：单面孔数及其平方项对预混均匀性影响最大；燃料速度与叶片角、燃料速度与单面孔数的交互效应其次；叶片数、叶片角、燃料速度及其平方项和交互项对均匀性的影响最小。

21 基于反扩散火焰的低NOx旋流燃烧器数值模拟

徐传义，邵亚丽，卢平，宋涛

2023, 38(5):170.

[摘要](403) [HTML](0) [PDF 10.52 M](213)

摘要:
采用非预混稳态小火焰模型（Steady Flamelet Model，SFM）耦合110步甲烷燃烧简化机理和Realizable k-ε模型对反扩散-旋流低氮燃烧器进行模拟，对比分析了不同旋流角度（30°，45°和60°）及过量空气系数（1.05，110，115和1.20）下燃烧时燃烧室内各截面轴向速度分布、中心截面温度及NOx质量浓度分布。详细研究了燃烧室内天然气与空气的燃烧特性及NOx的排放规律。模拟结果表明：随着旋流叶片角度逐渐增大，燃烧室内回流作用逐渐增强，导致火焰长度变短、燃烧室内最高温度及出口NO质量浓度逐渐降低；在旋流叶片角度为60°时，出口NO质量浓度仅为114 mg/m3；随着过量空气系数逐渐增大，火焰末端温度逐渐提高，导致燃烧室出口NO排放量逐渐增大；在过量空气系数为1.2时，出口NO质量浓度达到294 mg/m3，相比于过量空气系数为1.05时，其NO排放量增加153%。

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