鈍體甲烷火焰高摻氫比吹熄機理的大渦模擬

安振華，張 猛，毛潤澤，衛(wèi)旭濤，王金華，黃佐華

(西安交通大學(xué)動力工程多相流國家重點實驗室，西安 710049)

燃氣輪機作為先進的熱工轉(zhuǎn)換裝置，已經(jīng)在世界范圍的能源動力和電力系統(tǒng)中發(fā)揮了不可或缺的重要作用.2019 年燃氣輪機工業(yè)界計劃在2030 年達到燃氣輪機100%氫氣燃燒[1].而目前作為過渡階段，為實現(xiàn)從碳基燃料逐步過渡到純氫燃料，天然氣、生物合成氣的摻氫燃燒得到了較為廣泛的研究.

將稀燃預(yù)混燃燒(LPC)技術(shù)應(yīng)用于燃氣輪機，可以獲得更低的燃燒溫度從而降低NOx的排放[2]，但是同時會增加燃燒的不穩(wěn)定性，如燃燒振蕩、火焰吹熄等.這些問題都制約了稀燃預(yù)混燃燒在燃氣輪機中的應(yīng)用.為了更加有效地穩(wěn)定火焰，燃燒室中一般的穩(wěn)焰裝置有鈍體穩(wěn)焰器[3]、旋流穩(wěn)焰器[4]以及穩(wěn)焰伴流等[5].同時，燃料摻混一定比例的氫氣也將會增加火焰的穩(wěn)定性，尤其是在稀薄燃燒的條件下.因此天然氣、生物合成氣的摻氫燃燒不僅能夠降低碳基燃料的使用比例，而且有助于火焰穩(wěn)定.

眾多學(xué)者對甲烷預(yù)混鈍體火焰進行了廣泛的研究.Dawson 等[6]使用高頻PLIF 研究了甲烷鈍體火焰的吹熄過程，指出了臨近吹熄時出現(xiàn)“M”型火焰以及吹熄過程中回流區(qū)的變化情況.Michaels 等[7]對不同摻氫比例以及不同初始條件的層流鈍體火焰進行了二維數(shù)值模擬，研究了最高摻氫比例40%的甲烷鈍體火焰，使用熄滅拉伸率表征的化學(xué)時間尺度統(tǒng)一了火焰結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定范圍.文獻[8-9]通過實……