近年來國際上針對燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室提出的微混燃燒（Micro-mixing Combustion, MMC）技術(shù)成為研究熱點，其是一種通過縮小燃料和空氣流動混合尺度，達(dá)到強(qiáng)化出口均勻性實現(xiàn)低NOx燃燒的技術(shù)。常規(guī)天然氣貧預(yù)混燃燒室主要通過旋流結(jié)構(gòu)促進(jìn)燃空混合，以及在噴嘴出口逆壓梯度誘導(dǎo)高溫?zé)煔饣亓鲗崿F(xiàn)穩(wěn)焰，而微混燃燒器內(nèi)燃料和空氣多以交叉射流或同軸射流的形式混合，一般不具備空氣或燃料旋流結(jié)構(gòu)，因此微混燃燒具有抑制回火、自點火的優(yōu)勢，尤其對于火焰?zhèn)鞑ニ俣容^高的富氫燃料則成為其實現(xiàn)干低排放燃燒的可能選擇之一，但對于呈現(xiàn)無旋、直噴、多射流特征的微混燃燒如何實現(xiàn)高燃燒強(qiáng)度下的穩(wěn)定燃燒則成為關(guān)鍵。
工程熱物理研究所能源動力研究中心設(shè)計開發(fā)了一款可實現(xiàn)短距離內(nèi)高效摻混的新型微混概念燃燒器，針對甲烷-氫氣混合燃料實現(xiàn)了0~100%氫含量燃料下的穩(wěn)定干式低排放燃燒（絕熱火焰溫度≤ 1920 K, NOx≤ 10 ppm @ 15% O2, CO≤ 14 ppm），實驗證明其具有天然氣和富氫燃料干式低排放燃燒潛力。采用小火焰生成流形（Flamelet Generated Manifolds, FGM）數(shù)值模擬方法結(jié)合線性三角剖分插值方法完成小火焰自主建模以考慮含氫燃料燃燒存在的先導(dǎo)擴(kuò)散效應(yīng)，實現(xiàn)了含氫燃料微混火焰結(jié)構(gòu)預(yù)測，對比實驗測量的OH濃度場分布驗證了該方法預(yù)測富氫燃料火焰的有效性。在此基礎(chǔ)上，針對純甲烷和富氫甲烷兩種典型燃料，驗證了兩種微混火焰下的湍流火焰速度模型，闡釋了基于預(yù)混燃燒基本效應(yīng)、剪切層拉伸效應(yīng)和高溫?zé)煔饣亓餍?yīng)的微混燃燒穩(wěn)焰機(jī)制。
基于上述概念燃燒器結(jié)構(gòu)及燃燒特性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，能源動力研究中心正在進(jìn)行某型工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)天然氣干低排放燃燒室樣機(jī)研制及濕化循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)、IGCC煤制氣干低排放燃燒室關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)。以上研究得到航空發(fā)動機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)國家重大科技專項基礎(chǔ)研究（2019-III-0018-0062）和中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會（2017184、Y2021054）項目支持。相關(guān)研究成果在國際能源期刊International Journal of Hydrogen Energy上發(fā)表期刊論文2篇，在燃?xì)廨啓C(jī)領(lǐng)域國際會議ASME Turbo Expo上發(fā)表會議論文1篇并作報告，申請發(fā)明專利4項。
圖1 兩種典型的微混火焰形態(tài)（OH濃度場）
圖2 FGM模擬結(jié)果與OH-PLIF結(jié)果對比
標(biāo)簽： 燃?xì)廨啓C(jī)
