《Combustion and Flame》：Analysis of Combustion Instability in Multi-Nozzle Can Combustor via MIMO Thermoacoustic Model with Combined Fuel Staging
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氢气 cofiring下外喷嘴燃料分级与喷嘴内燃油分级协同作用的热力学声学稳定性研究。通过实验、CFD分析和MIMO热力学声学模型构建多参数稳定性预测框架，揭示两种燃料分级方法的动态耦合机制及其对燃烧不稳定的调控规律。
郑俊宇（Junwoo Jung）| 桑武光（Vo Quang Sang）| 成志焕（Jihwan Seong）| 孙在勋（Chae Hoon Sohn）| 金敏谷（Min Kuk Kim）| 黄正在（Jeongjae Hwang）| 李元俊（Won June Lee）| 金大植（Daesik Kim）
韩国江原道原州市南院路150号，江原-原州国立大学机械工程系，26403
摘要
现代燃气轮机中的氢燃料共燃和稀混合燃烧技术显著增加了对燃烧不稳定性的关注。尽管燃料分级已被证明是一种有效的控制方法，但现有研究主要关注单独的分级方法，这限制了我们对联合分级效果的理解。在这项研究中，通过在30%氢燃料共燃条件下同时应用外喷嘴燃料分级和引燃喷射，开发出了一张全面的热声稳定性图，为多参数不稳定性控制提供了预测框架。采用结合实验、计算流体动力学（CFD）和热声建模的综合方法来研究引燃喷射与外喷嘴燃料分级之间的相互作用。实验研究表明，引燃喷射和外喷嘴燃料分级对动态压力幅度的联合效应表现出复杂的相互依赖性，并且这种依赖性会随运行条件而变化。CFD分析揭示了潜在的物理机制，表明不同的分级参数会以不同的方式改变火焰结构和外喷嘴的时间延迟特性。开发了一个多输入多输出（MIMO）热声模型，以构建包含外喷嘴时间延迟变化的稳定性图。该稳定性图成功捕捉了引燃喷射和外喷嘴燃料分级对燃烧不稳定性的影响。这一综合框架为优化适用于氢燃料的燃气轮机的燃料分级策略提供了实用的设计工具。
引言
近期发电用燃气轮机的技术进步采用了稀混合燃烧技术以减少NOX排放，并引入了氢燃料共燃技术以降低碳排放。然而，这两种技术的结合应用增加了由于热释放波动和声学扰动之间的反馈相互作用而导致的燃烧不稳定性的风险，可能会引起性能下降和结构损坏[1,2]。低当量比的稀混合燃烧对进气流量波动非常敏感，这使得燃烧容易不稳定[3,4]。此外，与天然气相比，氢燃料共燃引入了不同的燃烧动态，进一步放大了这些效应[[5], [6], [7], [8], [9]]。因此，开发有效的燃烧不稳定性控制策略对于同时实现NOX减排和碳排放减少至关重要。
罐式环形燃烧室（Can-annular-type combustors）是发电用燃气轮机的关键部件，其多喷嘴结构使得可以通过燃料分级独立控制每个喷嘴的燃料分布。这种方法已被证明可以有效控制燃烧不稳定性[10,11]。先前的研究表明，火焰之间的相位差异对于抑制不稳定性至关重要。例如，Kwak等人[12]观察到，在双喷嘴燃烧室中向一个喷嘴添加氢燃料时，不稳定性有所降低，表明氢的添加引起了热释放率的波动，从而抑制了燃烧不稳定性。同样，Lee等人[13]发现，旋流方向与火焰之间的相互作用显著影响了热释放率、响应相位和稳定性。Samarasinghe等人和Culler等人[14,15]使用4绕1燃烧室配置证明，向中心喷嘴额外供燃料可以通过相位抵消效应抑制不稳定性。在我们之前的研究[16]中，我们开发了一个一维多输入多输出（MIMO）热声模型，考虑了罐式燃烧室的多喷嘴结构，证明了外喷嘴中的燃料分级可以通过引入火焰之间的相位差异来抑制燃烧不稳定性。总的来说，这些研究表明，相邻火焰之间的相互作用可以通过燃料分级产生相位差异来抑制燃烧不稳定性。
目前尚不清楚由于燃烧室的多喷嘴结构特性，它们是否可以同时应用多种燃料分级方法。然而，大多数现有研究仅关注单一的燃料分级方法，从而在了解两种或更多方法的联合效果方面存在知识空白。引燃喷射是另一种可以有效控制燃烧不稳定性的方法，它可以与外喷嘴燃料分级结合使用。引燃喷射通过在单个喷嘴内分离主燃料流和引燃流来控制燃料流动。多项研究已经证明了其在控制燃烧不稳定性方面的有效性[5,17,18]。因此，本研究扩展了我们之前关于外喷嘴燃料分级的研究，通过考虑引燃喷射和外喷嘴燃料分级来实验分析燃烧不稳定性的特征。为了有效分析实验结果并预测这两种燃料分级方法之间的复杂相互作用，我们利用之前开发的MIMO热声模型来构建了一张全面的稳定性图。
为了实现这些研究目标，我们采用了之前研究[16]中开发的实验和建模框架。首先，使用与实际燃气轮机中使用的相同尺寸的全尺寸燃烧室进行了实验，以研究在引燃喷射和外喷嘴燃料分级条件下的燃烧不稳定性特征。随后，对每种燃料分级条件进行了计算流体动力学（CFD）分析，以分析燃烧室内的流场和火焰结构。最后，将从CFD分析中获得的燃料分级条件变化对应的时间延迟参数应用于MIMO模型，并构建了一个增长率等高线图（稳定性图），以验证和分析实验中观察到的燃烧不稳定性特征。通过这种综合分析方法，我们提出了第一个能够预测引燃喷射和外喷嘴燃料分级之间相互作用的多参数稳定性图，为实际燃烧室设计中有效控制燃烧不稳定性提供了实用的设计工具。
实验装置和测试方法
图1展示了用于燃烧室测试的实验装置示意图。该测试设施可以容纳代表实际燃气轮机中使用的全尺寸燃烧室。第一个腔室容纳了罐式燃烧室，其中包括一个集气室和多喷嘴配置。具体来说，空气进入第三个腔室，流向集气室，并同时冷却内壁。
安装了采样率为10 kHz的动态压力传感器（PCB 106 B）
CFD方法与验证
为了分析湍流流动行为，在稳态条件下使用了商业CFD软件[19]，采用雷诺平均纳维（RANS）公式。湍流模型基于剪切应力传输（SST）公式[20]，燃烧化学过程使用GRI-MECH 3.0 [21]进行建模。湍流化学相互作用通过涡耗散概念（EDC）[22]进行建模，详细的化学反应则通过物种传输模型处理。
声学传递函数的多输入多输出（MIMO）系统建模
图10展示了罐式燃烧室的多喷嘴结构所对应的MIMO系统。该系统基于控制系统理论的传递函数进行建模，具有六个输入和输出，对应于罐式燃烧室中的喷嘴数量。这种利用传递函数矩阵表示多喷嘴/燃烧器系统的耦合热声动力学的MIMO网络建模方法，为稳定性分析提供了有价值的框架
结论
在这项研究中，我们为30%氢燃料共燃条件下的多喷嘴燃烧室开发了一张全面的热声稳定性图，重点研究了外喷嘴燃料分级和引燃喷射的联合应用。综合实验、CFD和热声建模方法提供了第一个能够预测这两种燃料分级方法之间复杂相互作用的多参数稳定性图。
实验研究了引燃比例分别为15%、18%的情况
CRediT作者贡献声明
郑俊宇（Junwoo Jung）：撰写 – 原稿撰写、验证、数据分析、正式分析、数据整理。桑武光（Vo Quang Sang）：正式分析、数据整理。成志焕（Jihwan Seong）：正式分析、数据整理。孙在勋（Chae Hoon Sohn）：数据分析、正式分析、数据整理。金敏谷（Min Kuk Kim）：数据分析、资金获取。黄正在（Jeongjae Hwang）：正式分析、数据整理。李元俊（Won June Lee）：正式分析、数据整理。金大植（Daesik Kim）：撰写 – 审稿与编辑、监督、项目管理、数据分析，
