贫预混多喷嘴旋流燃烧流场中旋进涡核的作用影响研究

The focus of this project is on the precessing vortex core (PVC) phenomenon in multi-nozzle combustor. Systematical study on on the interaction of PVC and flame dynamics in a multi-nozzle preimixed combustor.LES, Planar laser-induced fluorescence (PLIF) and particle image velocimetry (PIV) will be used to investigate the effects of PVC on flame dynamics. The influences of equivalence ratio, swirl number and swirl direction on the PVC in multi-nozzle combustor will be studied. The mechanism and conditions of PVC formation in swirling oscillation combustion will be revealed. And the factors influencing PVC formation and characteristics will be presented.. The rules of distribution and transportation of apparent turbulent kinetic energy between PVCs and turbulent velocity fluctuations will be found out.The interaction and coupling mechanisms between PVCs and turbulent flame will be clarified. The effects and mechanisms of PVCs on the ignition and flame stabilization will be revealed. Based on the study of the above key scientific problems, the theories and methods of controlling the formation and characteristic parameters of PVCs will be developed.

本项目针对贫预混多喷嘴燃烧流场中旋进涡核（Preocessing Vortex Core, PVC）的作用影响开展系统化分析研究，考察湍流火焰与PVC之间的相互作用。利用燃烧流场激光可视化诊断技术（激光粒子图像速度仪PIV 与激光诱导荧光检测器PLIF）和大涡模拟方法对多喷嘴贫预混燃烧火焰进行分析研究，分析预混气当量比、旋流强度、旋转方向变化对PVC的作用影响，确定多喷嘴贫预混湍流燃烧火焰中PVC的运动特征，阐明PVC与湍流火焰的相互作用机理；揭示PVC对于多喷嘴燃烧火焰燃烧不稳定性的影响与作用方式。通过对于上述关键科学问题的研究，发展对于多喷嘴旋流燃烧流场PVC形成条件及运动特征进行控制的理论与方法，解决旋流燃烧室反应流场与燃烧性能精细化控制与管理过程中相关的理论问题，为未来高性能燃气轮机燃烧室性能的进一步提升提供理论和技术支撑。

本课题以燃气轮机贫预混多喷嘴燃烧室湍流燃烧流场中的涡流-燃烧问题为对象，开展了系统的分析研究。首先设计并搭建了管型多喷嘴燃烧室涡流-燃烧可视化试验平台，完成了管型五喷嘴燃烧室的试验与数值分析研究，考察多喷嘴布置方式、预混气当量比、旋流强度、旋转方向等参数变化对多喷嘴贫预混旋流燃烧火焰涡流-燃烧的作用影响，利用燃烧流场大涡模拟和燃烧激光可视化诊断技术掌握了多喷嘴燃烧条件下PVC的运动特征，总结了多喷嘴旋流预混燃烧流场中PVC与湍流火焰的相互作用规律。. 其次，针对国产化研制的重型燃气轮机管型七喷嘴燃烧室结构特征，设计并制造了管型七喷嘴燃烧室试验件，搭建了多喷嘴燃烧室火焰传递函数测试装置，考察了燃料分级及当量比变化对贫预混七喷嘴燃烧火焰动态响应特性，完成了该型燃烧室振荡特性的试验分析，获得了当量比、旋流数及间距变化对七喷嘴燃烧器燃烧稳定性的影响规律，为重型燃气轮机燃烧室国产化研制提供技术支持。. 在以上工作基础上，提出了采用强弱旋流布置方法提高多喷嘴燃烧室燃烧稳定性的策略，并通过了试验验证。试验结果表明：比原有等旋流布置方案，采用强弱旋流优化布置方案的燃烧室熄火极限减低，NOx排放基本不变，CO排放显著降低，燃烧效率提高，燃烧振荡幅值可降低67%。