燃气轮机MILD燃烧湍流反应机制、稳定性极限及大涡模拟模型

Moderate or Intense Low-oxygen Dilution (MILD) combustion is a stable, efficient and clean combustion mode. Compared with the traditional combustion, its reaction zone increases dramatically where temperature distribution is uniform with enhanced combustion stability and no visible high-temperature flame front exists. Hence it has been considered as one of the most promising combustion modes of the 21st century. On the other hand, the gas turbine combustor needs to ensure the combustion stability, increase the combustion efficiency and reduce pollutant emissions. On the basis of the research experience on turbulent MILD combustion, the MILD combustion is established for gas turbine engines to enhance the combustion stability, increase the thermal uniformity, reduce the pollutant (especially NOx and soot) emission. This project is aimed at investigating the foundational mechanism of the gas turbine MILD combustion of n-dodecane, i.e., (1) investigating the chemical kinetic mechanisms of the MILD combustion of n-dodecane; (2) examining the turbulence and chemistry interaction of the gas turbine MILD combustion; (3) developing the high-fidelity combustion model for large eddy simulation of the gas turbine MILD combustion; (4) quantitatively examining the stability of the gas turbine MILD combustion.

MILD燃烧，亦称中度或强低氧稀释燃烧，具备燃烧稳定、高效及低污染优势。与传统燃烧相比，其反应区域增加、燃烧室温度均匀、NOx及碳黑排放低、燃烧稳定性好。国际燃烧界将它视为21世纪最具前途的新型高效低污染燃烧方式之一。另一方面，燃气轮机燃烧室急需解决极端条件下的燃烧稳定性、受限空间高效与低污染燃烧问题。基于申请人对MILD燃烧的长期研究基础，形成燃气轮机MILD燃烧方式，增强燃气轮机燃烧稳定性、缓解燃烧室湍流燃烧临界现象（局部着火及熄火）的影响、提高燃烧室温度均匀性、降低污染物生成。本研究以典型航空燃料的替代组分正十二烷为燃料，探索燃气轮机MILD湍流燃烧基础问题：（1）研究正十二烷MILD燃烧的化学动力学机制及反应机理、（2）探索燃气轮机MILD燃烧湍流与化学反应交互机理、（3）构建燃气轮机MILD燃烧的高精度大涡模拟模型、（4）阐明参数变化下的燃气轮机MILD燃烧稳定性规律。

将MILD燃烧高效、清洁低污染、及燃烧稳定的优势引入燃气轮机燃烧室，增强燃气轮机燃烧室燃烧稳定性、提高燃烧室温度均匀性及热力性能、并降低燃烧污染物生成。本项目通过基础反应动力学机理研究、基于RANS和LES的数值模拟、和实验研究，研究了燃气轮机工况MILD燃烧的燃料燃烧（如天然气、合成气、正十二烷）反应动力学机理，分析了燃气轮机MILD燃烧工况的湍流与化学反应相互作用机理，总结了适用于模拟MILD燃烧工况的大涡模拟燃烧模型（发现基于组分输运PDF模型的大涡模拟方法相比其他燃烧模拟方法更能提升对CO和OH中间组分的预测精度），分析了典型MILD燃烧工况的反应区域特征、燃烧稳定性规律。通过实验和数值模拟进一步研究了燃烧器初始条件及燃烧室操作条件参数变化对MILD燃烧燃料氧化、污染物生成、及稳定性极限规律的影响。本研究证实了MILD燃烧的确可显著提高燃气轮机燃烧室热力性能、显著降低燃烧过程燃料型及热力型NOx生成。通过操作参数优化，可通过MILD燃烧技术实现高效稳定低污染的燃气轮机燃烧过程。总体而言，本项目完成了预期研究计划，并为后续相关拓展研究提供了大量数据支持，获得了有潜在工程应用和科学价值的数据成果。通过本项目支持，已发表SCI论文14篇，EI论文8篇，其中含中文期刊论文4篇；已出版书籍一部、专著章节一部、还有一部专著在出版中；已经提交了10项发明专利申请（其中7项发明专利已顺利通过一通专利创新性审查，后续形式审查通过后预期可授权），已授权2项实用新型专利。部分成果已与企业进行产学合作成果转化及中试实验，获北京大学产学研合作优秀项目奖。项目主持人入选多项省部级人才计划（中国科协青年人才托举工程等）。