燃料混合与二次空气喷射对NH3-CH4/H2旋流火焰稳定性及形态的动力调控机制研究

本研究针对NH3作为零碳燃料在燃气轮机应用中面临的火焰稳定与排放控制难题，通过实验探究燃料混合比（NH3-CH4/H2）、二次空气喷射几何参数（孔数/直径）及当量比（?primary/?global）对两级富燃-贫燃火焰动力学的影响。研究发现二次空气几何构型主导火焰稳定性阈值，并首次通过动态模态分解（DMD）揭示了CH4与H2混合燃料的差异化失稳机制，为优化低NOx氨燃烧器设计提供关键依据。

　　

氨（NH₃）作为零碳燃料在燃气轮机脱碳中展现出巨大潜力，但其燃烧存在火焰稳定性差与氮氧化物（NO_x）排放高的双重挑战。两级富燃-贫燃（rich-lean）燃烧策略通过初级富燃阶段（?_primary=1.10-1.30）抑制NO_x生成，再通过二次空气氧化未燃燃料实现完全燃烧。然而，现有研究多聚焦初级燃烧优化，对次级燃烧区参数（如空气喷射几何构型）与火焰失稳机制的认识严重不足。美国佐治亚理工学院Ben T. Zinn燃烧实验室团队在《Proceedings of the Combustion Institute》发表的研究，首次系统揭示了燃料混合与二次空气设计对火焰动力学的影响规律。

研究采用实验室级旋流燃烧器（模拟AE-T100微型燃气轮机），结合高速NH₂*化学发光成像与动态模态分解（DMD）技术，分析不同燃料（NH₃-CH₄/H₂）、氨体积分数（X_NH3=0.6-0.95）、当量比（?_primary=1.10/1.20）及5种二次空气孔构型（9H-2.5D至36H-5D）下的火焰行为。通过量化全局当量比阈值（?_global,FC形态转变点与?_global,BO吹熄点），结合射流动量通量比（J）与火焰结构演变，阐明了稳定性控制机制。

3.1 火焰形态与稳定性

NH₃-H₂火焰因氢的高扩散性与高 extinction strain rate（K_ext＞400 s^-1）展现出更强抗吹熄能力，在临界条件下会转变为"龙卷风式"（tornado-like）燃烧模式。而NH₃-CH₄火焰则表现为明显的纵向脉动。值得注意的是，?_global,FC主要受二次空气几何参数（而非燃料类型）支配，36孔构型可使稳定区间拓展至更贫燃条件（?_global降低10%）。

3.2 火焰动力学

DMD分析显示：CH₄混合火焰失稳表现为脉动燃烧与旋流诱导的火焰旋转，而H₂混合火焰则呈现旋转内核周期性引燃上游反应物的新模式。相位分析表明，CH₄火焰中 pilot 与主燃区信号存在57 ms延迟，而H₂火焰仅10 ms，这种相位差是导致失稳模式差异的关键。

3.3 次级燃烧区形态

随着?_global降低，次级燃烧区经历三阶段演变：初始的逆向扩散火焰（J=7-18.7）→预混/部分预混过渡态（?_global=0.61）→反向流主导态（?_global≤0.48）。36H-5D构型因空气分布均匀性最佳，可延缓不利流态形成，这解释了其卓越的稳定性表现。

该研究首次建立二次空气几何参数-燃烧模态-稳定性阈值的定量关联，指出次级区设计优先于燃料调配的优化策略。发现的反向流触发机制与"龙卷风式"燃烧新模态，为开发高稳定性低NO_x氨燃烧器提供了关键理论支撑。尤其值得注意的是，次级燃烧区向预混态转变的临界点（?_global,FC）可作为工程设计的"红线"，避免因过度贫燃导致NO_x控制失效。这些发现对推进氨燃料在航空发动机与分布式能源中的应用具有重要指导价值。