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近年來，針對(duì)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(diǎn)，該技術(shù)通過縮小燃料和空氣流動(dòng)混合尺度，達(dá)到強(qiáng)化出口均勻性實(shí)現(xiàn)低NOx燃燒。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?shí)現(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(diǎn)火的優(yōu)勢(shì)，尤其對(duì)于火焰?zhèn)鞑ニ俣容^高的富氫燃料則成為其實(shí)現(xiàn)干低排放燃燒的可能選擇之一，但對(duì)于呈現(xiàn)無旋、直噴、多射流特征的微混燃燒如何實(shí)現(xiàn)高燃燒強(qiáng)度下的穩(wěn)定燃燒則成為關(guān)鍵。 

中國科學(xué)院工程熱物理研究所能源動(dòng)力研究中心設(shè)計(jì)開發(fā)了一款可實(shí)現(xiàn)短距離內(nèi)高效摻混的新型微混概念燃燒器，針對(duì)甲烷-氫氣混合燃料實(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)了含氫燃料微混火焰結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)，對(duì)比實(shí)驗(yàn)測(cè)量的OH濃度場(chǎng)分布驗(yàn)證了該方法預(yù)測(cè)富氫燃料火焰的有效性。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)純甲烷和富氫甲烷兩種典型燃料，研究驗(yàn)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(dòng)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技術(shù)研發(fā)。上述工作得到航空發(fā)動(dòng)機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)國家重大科技專項(xiàng)基礎(chǔ)研究和中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)項(xiàng)目的支持。相關(guān)研究成果在International Journal of Hydrogen Energy上發(fā)表論文2篇，在燃?xì)廨啓C(jī)領(lǐng)域國際會(huì)議ASME Turbo Expo上發(fā)表會(huì)議論文1篇并作報(bào)告，申請(qǐng)發(fā)明專利4項(xiàng)。

圖1.兩種典型的微混火焰形態(tài)（OH濃度場(chǎng)）

圖2.FGM模擬結(jié)果與OH-PLIF結(jié)果對(duì)比