在预混氨/空气双旋火焰中，随着功率分配比的增加，火焰从外部稳定状态向内部稳定状态的转变

《International Journal of Hydrogen Energy》：Transition from outer-to inner-stage stabilisation at increased power split ratio in premixed ammonia/air dual-swirl flames

　　天佑连|世宇斌|一章|洛阳国|晓翔石|余阳丽 上海交通大学机械工程学院，上海，200240，中华人民共和国 **摘要** 本研究探讨了内热功率比（PSR）对预混NH3/空气双旋火焰形态和稳定性的影响。对火焰动力学的详细分析揭示了三种依赖于PSR的稳定模式：由角部回流区（CRZ）稳定的模式I、过渡模式II以及由主回流区（PRZ）稳定的模式III。在过渡模式II中，火焰根部固定在内旋阶段出口处，而下游结构仍受外旋阶段的影响，呈现出“弯曲”的反应区。在固定的外空气流量下，随着PSR的变化，火焰的熄灭极限呈现抛物线形分布，这是由于不同稳定模式之间的空气动力学竞争所致。火焰动力学证实了稳定机制从CRZ向PRZ的转变。这些发现揭示了空气动力学相互作用在氨燃烧稳定性中的关键作用，并为氨燃料燃烧器的优化提供了指导。 **引言** 氨（NH3）作为一种无碳能源载体，在减少发电系统的碳排放方面具有巨大潜力。其成熟的生产和分配基础设施，加上高氢含量（17.6 wt.%），使其成为传统碳氢燃料的可行替代品[1,2]。然而，氨的低燃烧反应性（表现为狭窄的可燃范围和缓慢的燃烧速度[3]）可能限制其运行稳定性并增加火焰熄灭的风险，这对氨燃料燃气轮机燃烧器构成挑战。尽管研究表明纯氨火焰可以在旋流燃烧器中稳定[4]，但火焰稳定性在很大程度上取决于流场结构和火焰特性[5]。因此，研究不同流动条件下氨在燃气轮机燃烧器中的燃烧过程对于氨燃料燃烧器的开发至关重要。 许多研究已经探讨了单旋流燃烧器中的氨燃烧现象，发现流动条件对火焰稳定性有显著影响。Hayakawa等人[4]实验研究了单旋流稳定NH3/空气预混火焰的稳定性及排放特性。在多种当量比和入口速度下，火焰都能稳定存在，但在较大的旋流数下火焰稳定性极限变窄。Wei等人的研究[5]通过大涡模拟探讨了NH3旋流火焰的熄灭特性，认为火焰熄灭是由于过度拉伸、热释放率降低以及较大的热损失共同作用的结果。其他研究则更多地关注提高氨的燃烧稳定性，特别是将其与更具反应性的燃料（如氢[6,7]、甲烷[8,9]和二甲醚（DME）[10]）共燃。尽管现有研究较为广泛，但主要集中在单旋流火焰上。 近年来，中心分级燃烧技术已被应用于氨燃料燃气轮机模型燃烧器[11, [12], [13], [14]]。在这些燃烧器中，氨与甲烷[11, [12], [13]]和氢[14]共燃，以提高燃烧稳定性和减少污染物排放。中心分级燃烧是贫预混（LPP）系统的关键技术，最初是通过位于中心的引燃火焰来扩展稳定运行范围，并通过使用碳氢燃料实现超贫燃比主火焰操作来降低NOx排放[15]。这种配置通常采用两个或多个同轴环形喷嘴，每个喷嘴都配备有旋流器，相比传统单旋流燃烧器具有更灵活的燃烧控制能力。一个典型的例子是通用电气公司开发的双环形预混旋流器（TAPS）燃烧器[16]，它由两个独立的环形喷嘴组成。中心分级燃烧器的流场特征是内旋阶段和外旋阶段出口处分别形成两个不同的剪切层，从而形成双旋流火焰。这些相互作用的阶段产生了多个回流区，即主回流区（PRZ）、角部回流区（CRZ）和唇部回流区（LRZ）[17]，它们对火焰稳定性至关重要。此外，功率比（PSR，定义为内热功率与总热功率之比）的变化可能导致不同的火焰特性。内旋火焰可以以扩散模式或预混模式运行，而外旋主火焰则采用预混燃烧[18,19]。值得注意的是，回流区将高温燃烧产物从内旋火焰输送到外旋火焰基部，从而增强火焰的稳定性[17]。 在航空发动机应用中，中心分级燃烧器通常采用非预混内旋阶段，因为液体燃料通过引燃喷嘴预先蒸发。最近的进展已将这一概念扩展到甲烷和氨等气体燃料。Chong等人[20]研究了这种配置下的双旋流甲烷火焰，发现内旋与外旋空气流量比的改变会导致火焰形状的显著变化。尽管火焰形态存在差异，平面逆Abel变换后的OH?化学发光图像始终显示两种火焰前沿的共存。Han等人[21]研究了不同分层比和内外当量比下的双旋流甲烷火焰，发现了三种火焰模式：分层火焰、V形火焰和上升火焰。这些火焰宏观结构的变化与典型的单旋流火焰不同。Elbaz等人[11,13]在中心分级燃烧器中对NH3/CH4/空气预混火焰的研究表明，外部贫燃甲烷火焰能够协同增强内部NH3/CH4火焰的燃烧，从而实现超贫燃/富燃操作。其他研究还研究了液化石油气（LPG）[22]和沼气[23]的双旋流火焰。 为了实现高效且清洁的燃烧，燃烧器的空气动力学设计必须与燃料特性相匹配，特别是其燃烧反应性。虽然现有研究更多关注中心分级燃烧器中的甲烷燃烧，但氨的独特化学特性表明，在中心分级配置中可能存在不同的火焰结构，包括火焰形态和稳定性。在中心分级燃烧器中，两个阶段之间的相互作用改变了回流区和剪切层结构。由于低反应性火焰主要依赖回流区来稳定，因此两个阶段之间的相互作用导致火焰形态和稳定性特征比单旋流火焰更为复杂。虽然以往的研究侧重于通过共燃反应性燃料来稳定氨火焰，但本研究旨在通过控制燃烧器两个阶段之间的功率比来提高纯氨火焰的燃烧稳定性。