旋流诱导式LPG燃烧器射流交互角度对火焰特性及排放的影响机制研究

针对工业燃烧器中旋流叶片更换效率低、排放控制难的问题，研究人员设计了一种新型旋流诱导式LPG燃烧器，通过实验与数值模拟（ANSYS CFX）探究射流交互角度（0°-45°）、当量比（?=0.86-0.96）及燃料/空气分级（AFA/FAA）对火焰温度（最高2300 K）、CO/NOx排放的影响。结果表明，45°射流角为最优工况，AFA模式火焰稳定且CO排放最低，FAA模式在30°时NOx更低。该研究为工业燃烧系统节能环保改造提供了新思路。

　　

在能源危机与环境污染的双重压力下，工业燃烧领域亟需高效低排放的解决方案。传统旋流燃烧器依赖机械叶片调节气流，存在维护复杂、响应迟缓等问题，尤其在高负荷工况下难以兼顾热效率与污染物控制。液化石油气（LPG）作为清洁燃料虽被广泛应用，但其燃烧特性受旋流强度、混合方式影响显著，现有技术尚未系统解决火焰稳定性与排放矛盾的难题。

为此，研究人员设计了一种突破性的旋流诱导式LPG燃烧器，通过环形射流实现无机械叶片的旋流控制。该研究采用实验与计算流体力学（CFD）结合的方法，在垂直水冷燃烧室内测试了不同射流交互角度（0°、15°、30°、45°）、当量比（?=0.86-0.96）及燃料/空气分级模式（AFA：空气-燃料-空气；FAA：燃料-空气-空气）下的火焰特性。ANSYS CFX 2024R1构建的数值模型与实验结果高度吻合，揭示了旋流动力学与排放的关联规律。

关键技术方法

1. 旋流诱导燃烧器设计：通过同心双环结构实现燃料/空气的周向射流交互，中央空气管与内外环射流形成可调旋流场。
2. 多参数测试系统：采用热电偶测量火焰温度（最高2300 K），气体分析仪监测CO/NO_x浓度，结合高速摄影记录火焰形态。
3. 数值建模：SOLIDWORKS构建三维模型，ANSYS CFX模拟速度场与燃烧反应，验证实验数据可靠性。

研究结果
速度矢量剖面
AFA模式在中心区域形成高速密集流，火焰高度显著增加；FAA模式则在火焰外围产生更强剪切层，流速提升但火焰缩短。

火焰可视化
射流角度为30°时，FAA火焰呈现紧凑的蓝色核心区，而AFA火焰在45°下展现均匀的羽流结构。当量比增至?=0.96时，两种模式均出现高温亮斑，但AFA的火焰振荡幅度降低40%。

排放特性
AFA模式在所有角度下CO排放量低于50 ppm，尤其在?=0.86时达到最低值；FAA模式在30°射流角时NO_x排放较AFA减少28%，但CO略有上升。

温度分布
AFA火焰轴向温度梯度更平缓，高温区（>2000 K）占比达65%；FAA的峰值温度出现在30°射流角，但高温区集中在外缘，占比仅42%。

结论与意义
该研究证实射流交互角度45°为最优工况，平衡了火焰稳定性与排放控制。AFA模式适合高负荷需求场景（如燃气轮机），其均匀的温度分布与低CO特性可提升能效；FAA模式在30°下的低NO_x特性适用于环保敏感型产业（如食品加工）。创新设计的旋流诱导机制避免了传统叶片的维护难题，据估算可减少燃料消耗12%、停机时间80%。论文发表于《Fuel》，为工业燃烧器的模块化改造提供了理论依据与工程范式。