燃气轮机中宽范围氢掺混下微混合喷嘴的混合机理与数据驱动设计

《Energy》：Mixing mechanisms and data-driven design of a micromix nozzle across wide-ranging hydrogen blends for gas turbines

　　•开发了一种用于宽范围氢掺混的涡流发生器辅助微混合喷嘴。
•揭示了互补燃料输送和涡流增强混合。
•高氢含量需要对燃料-空气混合进行更严格的控制。
•CHMoE–SHAP–NSGA-II框架实现了可解释的喷嘴优化。
•CFD预测在测试的氢混合物中，在1 atm下NOx低于7.3 ppmv。

引言

在全球向低碳能源系统转型的背景下，燃气轮机燃料正逐步从传统化石燃料转向低碳和零碳替代燃料[1]。作为一种无碳燃料，氢气被认为是替代天然气（NG）并在燃气轮机中实现无碳燃烧的主要候选者。以往研究表明，氢气的低密度和高化学反应活性显著改变了燃烧室的点火和熄火特性[2]、[3]，燃烧稳定性[4]、[5]以及污染物排放[6]。因此，开发一种同时具备抗回火、均匀燃料-空气混合和低排放的燃烧概念，是从传统天然气燃气轮机过渡到氢燃料燃气轮机燃烧室的关键挑战。

由于其结合低NOx排放、抑制回火和稳定燃烧的潜力，微混合燃烧近年来已成为氢燃料燃气轮机的重要研究方向[7]、[8]。例如，Lu等人[9]、[10]报道，降低当量比和增加蒸汽稀释比均可减少NOx排放。Mo等人[11]、[12]在蜂窝通道中安装涡流发生器以改善火焰稳定性，同时将NOx排放保持在20 ppm以下。Chen等人[13]、[14]发现旋流微混合配置产生更低的NOx排放和更大的火焰稳定性，而非旋流配置表现出更低的贫熄火极限，这为主级和值班级喷嘴的设计提供了指导。Li等人[15]报道，将80%的空气分配给燃烧室头部，在低NOx排放和高出口温度均匀性之间取得了有利平衡。Vivoli等人[16]发现表面粗糙度可将NOx排放降低约12.6%。这些研究证明了微混合燃烧在实现稳定、低排放运行方面的巨大潜力。

然而，微混合燃烧室通常由众多微混合元件的阵列组成，其整体性能由各个元件的流动组织、混合特性及其他属性共同决定。例如，Li等人[15]发现增加喷嘴直径会增加射流动量并延长火焰。Chen等人[17]报道，与圆形喷嘴出口相比，椭圆形出口将射流合并位置向下游移动并增加了轴向速度。Wang等人[18]发现减小微混合管直径可增强混合，但在直径2 mm时导致高达25%的压力损失。因此，微混合元件的几何形状和流动组织直接影响燃料混合和微混合燃烧室的整体性能。

因此，人们投入了大量精力来改善微混合单元的空气动力学和混合性能。Chen等人[19]、[20]确定了最佳预混合通道直径为9.2 mm，最佳射流动量比为21.82–24.17，此时混合管内的混合均匀度最大化。Liu和Fan[21]在混合管中安装扭带以增强混合，发现中等旋流使出口均匀性指数提高到0.91。Zheng等人[22]使用切向氢射流增强混合，并表明较高的空气温度、较小的燃料管直径、适当的喷射角度和30的射流动量比产生了最佳混合性能。Dere等人[23]发现90°横向喷射产生稳定的抬升火焰，而135°上游导向喷射实现了更好的混合均匀性。尽管以往研究[24]、[25]已经认识到涡流发生器（VGs）在扩散燃烧中的优势，但安装在混合管内的VGs及其相对于燃料喷射孔的空间布置对涡流-射流相互作用和混合性能的影响仍然不够清晰。

此外，燃气轮机燃料从传统天然气到氢气的过渡不能一步完成。实际部署通常需要从低氢含量逐步过渡到中高含量，再到纯氢燃烧，这对燃烧室设计提出了重大挑战。例如，Sandoval等人[26]设计了一个10 kW微混合燃烧室，在氢气体积分数高于80%时稳定运行，但在较低氢含量下出现火焰抬升。Lu等人[27]发现增加氢含量拓宽了微混合火焰阵列的吹熄边界，但当氢含量达到40%时，CO排放增加到24.06 ppm。因此，单一的微混合配置难以在所有燃料成分下保持有利的空气动力学、混合和排放性能。能够适应燃料成分变化的基本机制和系统设计策略仍有待建立。

此外，微混合燃烧室的几何设计在很大程度上依赖于低维参数扫描，限制了对耦合几何效应的系统探索。以往研究考察了混合管直径[9]、[28]、管间距[15]、[18]和喷射角度[23]等参数，但通常只考虑有限数量的几何变量。即使涉及更复杂混合管几何形状的研究[14]、[26]也主要基于有限数量的离散设计点，导致高维设计空间探索不足。数据驱动优化提供了一种更有效的替代方案。Briones等人[29]和Mo等人[11]分别应用响应面模型优化了15维和8维燃烧室几何。Shi等人[30]将代理建模与NSGA-II结合，使贫预混预蒸发燃烧室的NOx和CO排放分别降低了78.93%和13.57%。这些研究表明，数据驱动方法可以显著提高多参数燃烧室设计的搜索效率。因此，需要一个结合几何可行性、可解释代理建模和跨条件优化的多参数设计框架，以适用于宽范围氢含量的应用。

为了解决这些不足，本研究提出了一种涡流发生器辅助的微混合喷嘴，其中两组燃料喷射孔相对于涡流发生器位置不同，以利用不同的局部流动环境。首先，进行组件移除分析，以揭示涡流发生器诱导的流向涡与两组燃料射流如何相互作用，从而建立空间互补的燃料输送并增强混合。其次，在从纯甲烷到纯氢的四个代表性氢体积分数下构建了包含640个CFD模拟的数据集。系统评估了喷嘴的空气动力学、混合和NOx特性，以阐明燃料成分和几何参数对喷嘴性能的影响，以及低NOx燃烧所需的混合均匀度水平。最后，开发了一个包含八个设计参数和几何约束的代理辅助框架，用于高维设计空间探索、模型解释和跨条件多目标优化。所得设计进一步通过CFD计算验证。因此，本研究提供了对混合机理的理解以及在宽范围氢含量下运行的微混合喷嘴的设计策略。

章节片段

几何模型

本研究提出了一种用于宽范围氢含量运行的微混合喷嘴，如图1所示。喷嘴主要包括混合管、配备导流元件的燃料供应管、涡流发生器（VGs）和两组燃料喷射孔：涡流发生器对齐的燃料喷射孔（AFHs）和涡流发生器之间的燃料喷射孔（IFHs）。喷嘴的主要几何参数定义如图2所示。

计算域和网格

上述微混合喷嘴是主要配置

空间互补燃料输送

定义了四种配置用于组件移除分析，以阐明涡流发生器（VGs）、涡流发生器对齐燃料喷射孔（AFHs）和涡流发生器之间燃料喷射孔（IFHs）的协调布置如何增强混合。情况（a）是本研究提出的完整配置；在情况（b）、（c）和（d）中分别移除VGs、AFHs和IFHs。所有四种情况均使用纯氢，并采用表1中列出的相应边界条件。为了

设计空间和样本生成

为了进一步探索几何参数如何影响不同燃料成分下的喷嘴性能，并在高维设计空间内识别改进设计，开发了一个整合代理建模和模型解释的数据驱动框架。所有几何参数均以混合管内径dt进行归一化。混合管长度固定为Lt=6dt。除Lt和dt外，所有与流场相关的其他几何参数均作为

优化算法设置

前述数据分析和SOM结果表明，高压恢复和低NOx排放之间存在竞争的几何要求。单一目标或多目标的事先加权都无法充分代表这些性能指标之间的权衡。因此，将CHMoE代理模型与NSGA-II[45]结合，对四个氢分数下的PR和NOx进行跨条件多目标优化。在此框架内，预测的UI是

结论

为了满足燃气轮机燃料从天然气向氢气过渡过程中对燃料灵活微混合燃烧的需求，本研究提出了一种带有两组协调燃料喷射孔组的涡流发生器辅助微混合喷嘴，并阐明了其混合机理。随后生成了包含640个CFD案例的数据库，以表征几何形状和燃料成分的影响。结合CHMoE代理建模、基于SHAP的解释和NSGA-II优化的集成框架是

CRediT作者贡献声明

Jinlou Peng：写作–初稿，方法学，概念化。Kai Zhou：验证，方法学，形式分析。Xiaojing Tian：资源，项目管理。Zhenzhen Feng：资源，项目管理。Jianping Yan：写作–审阅与编辑，监督，方法学，概念化。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本论文所报告的工作。

致谢

本工作得到清洁高效透平机械动力装备国家重点实验室开放课题资助（DEC8300CG202614322A1228270）。

Jinlou Peng|Kai Zhou|Xiaojing Tian|Zhenzhen Feng|Jianping Yan