基于火焰传递函数的旋流预混火焰稳定性分析

杨 旸, 余志健

(1. 中国科学院工程热物理研究所 南京未来能源系统研究院，南京 210000；2. 中国科学院工程热物理研究所 先进燃气轮机实验室，北京 100190；3. 中国科学院大学，北京 100190)

贫预混燃烧是现代燃气轮机燃烧室实现低NOx排放的主要途径之一。但该燃烧室燃烧处于贫预混状态及火焰筒取消了各种气膜孔，容易产生热声不稳定问题[1]。根据瑞利准则，当压力波动相位与燃烧室内体积积分热释放率脉动相位差小于90°，且系统的阻尼不大于注入系统的能量时，则会产生热声不稳定[2]。根据先前的研究[3]，相位差可以转换为从燃料喷射位置开始到达火焰锋面处的燃料飞行时间。因此，火焰形状和混合区长度是产生热声不稳定的两个关键因素。为了控制火焰形状，燃烧室头部出口形状是除旋流数之外的重要几何控制参数。这是因为燃烧室头部出口形状会影响火焰根部的发散角，进而导致火焰形状变为V形、M形或圆锥形等。但国内外文献对该结构的影响特性报道较少。

同时，在燃气轮机燃烧室设计阶段如何采用数值方法分析不同燃烧室结构下火焰动态特性及预判火焰是否稳定，这对燃烧室结构筛选和确定具有一定作用。雷诺平均Naiver-Stokes(RANS)方法[4]和大涡模拟(LES)[5]是燃烧室设计阶段中广泛使用的两种数值方法。有了准确的燃烧模型，可以使用RANS方法在设计阶段预测燃烧室总体性能，而LES方法可以更准确地解析流动-火焰的瞬态相互作用，例如吹熄，火焰不稳定性等。……