强耦合分层火焰中燃料分层效应对火焰动力学及燃烧不稳定性的影响机制研究

本研究针对强耦合中心分级旋流燃烧器中火焰动力学与燃烧不稳定性问题，通过实验揭示了V型、M型和双分支分层火焰三种稳定态模式，阐明了主/次级燃料分布对NOx排放及热声不稳定性的差异化影响机制，为低排放燃烧系统设计提供了关键理论支撑。

　　

在燃气轮机低排放技术领域，贫预混燃烧(Lean Premixed Combustion)虽能有效控制污染物排放，却长期面临热声不稳定性(Thermoacoustic Instability)的困扰。中心分级燃烧技术(Centrally Staged Combustion)虽可扩展稳定燃烧范围，但新型高活性燃料(如氢气)的应用导致燃烧器出口速度提升，通过文丘里结构(Venturi Design)形成强耦合分层火焰，其复杂的火焰相互作用机制成为制约低排放燃烧系统发展的关键瓶颈。

清华大学的研究团队在《Fuel》发表的研究中，创新性地采用三通道同轴分级旋流燃烧器（主级、次级和引导级），通过OH*化学发光成像、Abel反卷积技术和压力振荡监测等手段，系统探究了等效比(Equivalence Ratio)从0.584到0.935范围内燃料分布对火焰形态和稳定性的影响。研究特别设计了无唇部结构的燃烧器构型，通过"收缩-扩张"流道强化火焰耦合，对比传统弱耦合分层火焰（如BASIS燃烧器）揭示了新的动力学特征。

关键技术方法包括：1）采用时间分辨OH*化学发光成像捕捉瞬态火焰结构；2）基于Abel反卷积算法重构三维火焰场分布；3）同步采集动态压力信号分析热声振荡特性；4）通过分级燃料独立调控系统实现主/次级燃料比的精确控制。

【Flame structures】章节揭示三种典型火焰形态：V型火焰在全工况保持稳定；M型火焰在剪切层火焰与壁面相互作用下产生热声振荡；双分支分层火焰则因外回流区(External Recirculation Zone)火焰的出现诱发内外剪切层火焰耦合。当主级燃料增加时，火焰会经历V型→M型→双分支的形态跃迁，而次级燃料增加仅维持V型结构但显著提升NOx排放。

【Conclusions】部分指出：1）主级燃料增加通过剪切层-壁面相互作用和外回流区火焰生成，比次级燃料更易诱发燃烧不稳定性；2）次级燃料对火焰形态影响有限，但过量会导致主/次级火焰相互作用失稳；3）强耦合条件下火焰动力学呈现明显区别于弱耦合系统（如BASIS/TAPS燃烧器）的新特征。该研究为氢能等新型燃料应用中的燃烧器设计提供了重要理论依据，特别是揭示了燃料分级控制策略对热声不稳定性的调控机制。

研究创新性体现在：1）首次系统阐明强耦合分层火焰中燃料分布的差异化影响规律；2）发现外回流区火焰在热声振荡中的触发作用；3）建立火焰形态跃迁与不稳定性发展的直接关联。这些发现对开发下一代低排放燃气轮机燃烧系统具有重要指导价值，尤其在应对高活性燃料带来的燃烧控制挑战方面提供了新的解决思路。