旋流构型与氨-甲烷混合燃料对环形燃烧室点火动力学的影响
上海交通大学机械与动力工程学院吕兴才教授团队在能源领域顶级期刊《Fuel》上发表了一项重要研究成果，题为《Experimental study on the impact of swirl configurations and ammonia-methane blends on the ignition dynamics of a premixed annular combustor》。该研究通过实验手段系统探究了旋流构型与氨-甲烷混合燃料对预混环形燃烧室点火动力学的影响，为航空燃气轮机的高效点火与稳定燃烧提供了新见解。
研究背景
燃气轮机的点火过程涉及复杂的物理与化学机制，尤其在采用贫燃预混技术时，点火可靠性面临巨大挑战。氨作为一种零碳燃料，因其高能量密度和易储运特性备受关注，但其低反应活性(火焰速度低、点火延迟时间长)为燃烧室设计带来了新的难题。此外，旋流构型作为燃烧室设计的核心要素，对点火过程的影响机制尚不明确。为此，上海交大团队通过实验揭示了旋流构型和氨-甲烷混合燃料对环形燃烧室“光回合”(light-round)点火过程的动态影响。
实验方法与装置
研究团队自主设计建造了一套先进的环形燃烧室实验系统，该系统由12个旋流稳定喷射器组成(图1)，采用石英玻璃观测窗，并基于以下观测测量技术手段实现燃烧室的流场光学诊断：
1. 多模态同步诊断系统(图2)：采用双高速CMOS相机(4kHz，1024 × 1024像素)配备图像增强器(EyeiTS-D-HQB-F)及105mm焦距紫外镜头，同步采集顶部和侧视火焰图像，配备OH*化学发光滤波系统(310 ± 10nm)精确追踪火焰前锋;PIV系统(527nm激光，0.5μm Al₂O₃示踪粒子)解析流场结构。
2.精确控制与测量：质量流量控制器(空气 ± 0.2%，燃料 ± 2%)精确调控混合比; 高频火花点火系统(50Hz，15kV)确保点火一致性; K型热电偶监测关键位置温度(± 3K)。
3. 标准化分析方法：开发了基于OH*信号强度(3%阈值)的光回合时间自动判据;采用多尺度互相关算法处理PIV数据(64 × 64像素窗口，75%重叠)。
图1 环形燃烧室示意图(a)和四种旋流结构的详细视图(b)
图2 (a)诊断系统示意图和(b)点火位置俯视图。
实验重点对比了四种旋流构型(高/低旋流数、无旋流、旋流器位置变化)及不同比例的氨-甲烷混合燃料对点火极限、火焰传播模式和光回合时间的影响。
实验结果
1. 旋流构型的调控规律：
实验发现旋流强度对点火过程具有决定性影响。在当量比ϕ = 0.8、流速12m/s条件下，高旋流数(HSN_20)配置展现出最优性能，点火极限拓宽14.6%(ϕ =0.533)，光回合时间缩短至21ms。
流场测量显示，旋流通过增强切向速度分量(提升60%)和形成稳定回流区，使火焰传播速度提高52.4%;旋流器位置影响显著(图3)，当旋流器从20mm移至50mm上游时，火焰稳定高度增加34%，光回合时间延长23.8%。
图3 四种旋流配置下环形燃烧室光回合点火OH*发光的俯视图图像序列，使用ϕ = 0.8 , 喷射速度 Umix = 12m /s的甲烷-空气混合物。
图4 四种旋流配置下环形燃烧室中燃烧器到燃烧器传播的侧视图图像序列，使用φ = 0.8和Umix = 12 m/s的甲烷-空气混合物。
2. 氨燃料的燃烧特性：
研究首次系统揭示了氨-甲烷混合燃料的点火规律：氨掺混导致火焰特性显著改变，40%氨混合时OH*辐射强度降低40%，火焰颜色由蓝变橙黄(图5);点火性能随氨比例增加而下降，XNH₃=0.4时贫燃点火极限升至ϕ =0.65，光回合时间延长26.9%(图6)。
研究发现了普适性规律：所有燃料的火焰传播速度SLR与SL·ρu/ρb保持线性相关(R²>0.98)。
图5 在ϕ = 1和P = 60kw时，稳定运行的环形燃烧室中氨-甲烷-空气旋流火焰的直拍真彩照片。
图6 在ϕ = 0.8, Umix = 12 m/s时，XNH₃ = (a) 0.2 和 (b) 0.4配置下的HSN_20光回合点火俯视图图像序列。
图7 在ϕ = 0.8, Umix = 12 m/s时，XNH₃ = (a) 0.2 和 (b)0.4配置下的HSN_20燃烧器到燃烧器传播过程侧视图图像序列。
3. 火焰传播机制的突破性发现：
首次通过多视角同步观测捕捉到"锯齿状"传播过程(图4，图7)，量化了切向运动(τp≈15ms)和上游对流(τc≈6ms)的时间占比，证实旋流产生的内回流区(Inner Recirculation Zone, IRZ)尺寸与火焰捕获效率呈正相关，HSN_20配置的捕获效率比低旋流高35%。
总结
该研究建立的实验方法体系为燃气轮机燃烧室设计提供了重要工具。特别是发现的旋流-火焰相互作用规律，可直接指导航空发动机快速点火系统优化、 氨燃料燃烧室的旋流器设计及多燃烧器协同点火控制策略。研究团队表示，下一步将重点攻关高氨比例(XNH₃>0.6)混合燃料的燃烧稳定性问题，并开发基于人工智能的点火过程预测模型。
DOI: 10.1016/j.fuel.2025.134583
