蔡文波，安 辭，唐自佳，劉 瀟，楊家龍，鄭洪濤

(1. 海軍裝備部，西安 710054；2. 上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 201206；3. 哈爾濱工程大學(xué) 動(dòng)力與能源工程學(xué)院，哈爾濱 150001)

同軸分級(jí)燃燒技術(shù)是一種氣動(dòng)分級(jí)的燃燒組織模式，同軸分級(jí)燃燒室火焰筒頭部由中心級(jí)和主燃級(jí)組成，兩級(jí)以同軸共心的形式嵌套在一起。中心為中心級(jí)，采用擴(kuò)散燃燒方式，用于發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)狀態(tài)，為發(fā)動(dòng)機(jī)提供達(dá)到慢車工況時(shí)所需的溫度[1]；外圍為主燃級(jí)，采用貧燃預(yù)混燃燒方式，大工況時(shí)利用位于上游位置的中心級(jí)將其引燃，既迅速又可靠，同時(shí)由于主燃燒區(qū)維持在較低當(dāng)量比的狀態(tài)，故可有效控制氮氧化物的排放量。

由此可見，中心級(jí)結(jié)構(gòu)對同軸分級(jí)燃燒室能否成功點(diǎn)火、聯(lián)焰以及在較低污染物排放基礎(chǔ)上充分發(fā)揮高燃燒效率起著至關(guān)重要的作用。因此，本文將以天然氣為燃料，基于某同軸分級(jí)燃燒室，分析低工況情況下不同燃料分配方法對流場的影響規(guī)律，研究結(jié)果為低排放燃燒室頭部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐。

分級(jí)燃燒室中各級(jí)燃料量分配規(guī)律對燃料分布、流場特性以及污染物排放量均存在一定影響。Muruganandam[2]在研究中發(fā)現(xiàn)當(dāng)燃燒室出現(xiàn)熄火先兆現(xiàn)象時(shí)，可調(diào)整中心級(jí)火焰的燃料量，增大燃燒區(qū)內(nèi)的當(dāng)量比，進(jìn)而使火焰進(jìn)入穩(wěn)定燃燒區(qū)，以此來擴(kuò)寬貧油熄火極限范圍，該方法的本質(zhì)是通過調(diào)節(jié)主燃區(qū)當(dāng)量比的方法，來提供一個(gè)局部更加穩(wěn)定的燃燒方案。李芳怡[3]基于某環(huán)形燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室，改變不同燃油分配比例，研究了不同比例下燃燒性能的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明：增大主燃級(jí)供油比例，燃燒場高溫區(qū)面積減小，出口最大不均勻度降低，燃燒效率升高，NOx排放量大幅度降低；此外通過一系列對比分析，作者得出在設(shè)計(jì)工況時(shí)，主燃級(jí)供油比例占90%、中心級(jí)供油比例占10%時(shí)，燃燒效率最高，且此時(shí)燃燒污染物排放量最少。曹天澤[4]基于某周期性環(huán)管燃燒室，采用數(shù)值模擬方法探究了不同燃料供給量對燃燒場的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：在空氣供給量不變的前提下，增大燃料量，燃燒區(qū)域變大，燃燒室出口截面最高溫度升高，但出口溫度不均勻度減小。程明[5]基于TAPS燃燒室分析了不同燃油分級(jí)比例對燃燒室性能的影響。研究結(jié)果表明：中心級(jí)燃油量過多或過少均不利于控制燃燒污染物的排放量；減少分配至中心級(jí)燃料量，在燃燒場中高溫區(qū)面積顯著減小，溫度分布更均勻；隨中心級(jí)燃料量逐漸減少，出口溫度分布系數(shù)降低，且降低速率逐漸增大，同時(shí)當(dāng)中心級(jí)燃料占比降至40%時(shí)，出口溫度分布系數(shù)降低速率逐漸減小。

綜合以上國內(nèi)外研究現(xiàn)狀發(fā)現(xiàn)，各國學(xué)者針對同軸分級(jí)燃燒室技術(shù)進(jìn)行了大量的試驗(yàn)與數(shù)值模擬研究，其中許多研究成果已應(yīng)用于具體型號(hào)的設(shè)計(jì)研發(fā)中，其中燃料的分配規(guī)律對同軸分級(jí)燃燒室的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了強(qiáng)有力的技術(shù)與數(shù)據(jù)支撐。故本文以某一同軸分級(jí)燃燒室為研究對象，分析其低工況下燃料分配對燃燒特性的影響。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 FGM燃燒模型

本文使用的燃燒模型選用部分預(yù)混燃燒下的FGM(flamelet generated manifold)燃燒模型。FGM模型參考層流火焰面的方法，認(rèn)為三維火焰在本質(zhì)上具有一維結(jié)構(gòu)，湍流火焰面是層流火焰面的統(tǒng)計(jì)平均。FGM模型首先采用化學(xué)反應(yīng)機(jī)理建立層流FGM表，然后采用假定PDF對層流FGM表進(jìn)行積分得到湍流FGM表，同時(shí)引入混合分?jǐn)?shù)f和進(jìn)程變量作為層流FGM表單的變量?；旌戏?jǐn)?shù)可按照如下的方法定義[6]：

(1)

式中：Y為質(zhì)量分?jǐn)?shù)，M為相對原子質(zhì)量，下標(biāo)H、C分別代表氫和碳，1和2分別代表燃料進(jìn)口和氧化劑進(jìn)口?；旌戏?jǐn)?shù)是一個(gè)守恒標(biāo)量，只受擴(kuò)散和對流的影響，其輸運(yùn)方程為：

(2)

式中：D為層流擴(kuò)散系數(shù)。

反應(yīng)進(jìn)度變量C選擇基于溫度進(jìn)行定義：

(3)

其控制方程為：

(4)

在計(jì)算中，通過求解進(jìn)程變量的輸運(yùn)方程，就可以求得進(jìn)程變量的分布，然后根據(jù)各點(diǎn)上的值查FGM表單，進(jìn)而得到流場中溫度、各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分布規(guī)律。

1.2 燃燒性能指標(biāo)

1.2.1 燃燒效率

燃燒效率是燃燒室最重要的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，根據(jù)燃燒過程中的能量守恒原理，燃燒室的燃燒效率定義為[7]：

(5)

1.2.2 燃燒室出口溫度場均勻性

由于燃燒室出口的高溫流體直接流經(jīng)渦輪的第一級(jí)葉片，若燃燒室出口溫度場不均勻會(huì)使葉片所受的熱應(yīng)力不均而導(dǎo)致葉片損壞，進(jìn)而縮短渦輪葉片的壽命，因此燃燒室出口溫度場的均勻程度直接影響了渦輪葉片的安全性。此外，出口溫度分布還會(huì)影響燃燒污染物的排放量。評(píng)判出口溫度場均勻性的指標(biāo)有：總溫分布系數(shù)(OTDF)、徑向分布系數(shù)(RTDF)以及周向分布系數(shù)(CTDF)等，本文中主要對總溫分布系數(shù)進(jìn)行考察，其表達(dá)式為：

(6)

式中：T表示溫度，下角標(biāo)o和i分別表示燃燒室出口與進(jìn)口，下角標(biāo)m和a分別表示最大值與平均值。

2 計(jì)算模型與邊界條件

2.1 計(jì)算模型

某改型后的同軸分級(jí)燃燒室結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，進(jìn)入模型燃燒室中的空氣共分為兩股，30%的空氣用于壁面冷卻，70%的空氣通過燃燒室頭部的三級(jí)塔式旋流器進(jìn)入火焰筒參與燃燒。由于該模型燃燒室在周向具有周期性，本研究選取該模型燃燒室扇形區(qū)域的1/20及所在位置的1個(gè)頭部作為研究對象，探究燃料分配對燃燒室流場特性的影響。

圖1 某同軸分級(jí)燃燒室

燃燒室結(jié)構(gòu)復(fù)雜且尺寸較大，利用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對燃燒室進(jìn)行劃分會(huì)非常困難，故本文采用四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對燃燒室結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分，并對流場分布具有重要影響的小部件進(jìn)行網(wǎng)格加密處理。圖2為燃燒室網(wǎng)格劃分示意圖。

圖2 燃燒室網(wǎng)格劃分示意圖

2.2 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

在數(shù)值模擬計(jì)算過程中，計(jì)算域網(wǎng)格數(shù)量會(huì)對計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生十分重要的影響。因此驗(yàn)證網(wǎng)格數(shù)量對計(jì)算結(jié)果的無關(guān)性影響是十分有必要的，從而可確定適用于本文研究對象的最佳網(wǎng)格數(shù)。

燃燒室中心回流區(qū)與5%質(zhì)量分?jǐn)?shù)甲烷的貫穿深度都是描述流場特性的重要指標(biāo)，基于某一工況，計(jì)算模擬8種不同網(wǎng)格數(shù)情況下回流區(qū)的位置(即速度等于零圍成的區(qū)域，用X與Y軸坐標(biāo)表示)與5%質(zhì)量分?jǐn)?shù)甲烷的貫穿深度，如圖3和圖4。觀察發(fā)現(xiàn)，從574萬網(wǎng)格開始，即使再增加網(wǎng)格數(shù)，回流區(qū)位置與5%質(zhì)量分?jǐn)?shù)甲烷的貫穿深度變化不大，則說明此時(shí)網(wǎng)格已呈無關(guān)性變化。因此，為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，本文模擬計(jì)算采用的網(wǎng)格數(shù)為574萬。

圖3 不同網(wǎng)格數(shù)時(shí)回流區(qū)大小示意圖

圖4 貫穿深度隨網(wǎng)格數(shù)變化情況

2.3 湍流模型及燃燒模型驗(yàn)證

在進(jìn)行模擬計(jì)算之前，需要對采用的湍流模型與燃燒模型進(jìn)行模型驗(yàn)證，保證模擬計(jì)算的結(jié)果接近實(shí)際情況。

德國斯圖加特大學(xué)的A.Widenhorn團(tuán)隊(duì)試驗(yàn)研究了甲烷雙級(jí)旋流燃燒室的燃燒特性，測量得到距旋流器出口所在平面10 mm處的徑向速度分布與燃燒室溫度分布。圖5為文獻(xiàn)[8]中使用的雙級(jí)燃燒室結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5 雙級(jí)燃燒室

湍流模型選用Realizable模型，燃燒模型選用FGM模型，甲烷化學(xué)反應(yīng)機(jī)理選用GRI3.0機(jī)理，壓力速度耦合采用SIMPLE算法，離散格式采用二階迎風(fēng)插值格式。

圖6給出了利用數(shù)值模擬得到了距旋流器出口所在平面10 mm處的徑向速度分布與燃燒室溫度分布曲線，與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比，可以看出數(shù)值模擬的結(jié)果與文獻(xiàn)給出的結(jié)果擬合效果良好，證實(shí)了數(shù)值模擬方法可以有效地反應(yīng)流場速度變化與溫度變化。此外，鄭洪濤、張智博、姜雪等人[9-11]在研究中亦得出相同的結(jié)論，因此認(rèn)為該數(shù)值模型具有良好的準(zhǔn)確性，可以較好通過數(shù)值模擬方法來反應(yīng)燃燒室的燃燒特性。

(a) 徑向速度分布圖

3 計(jì)算結(jié)果與分析

在燃燒室點(diǎn)火成功后，隨燃?xì)廨啓C(jī)工況逐漸升高，空氣流量與燃料供給量均增加，此時(shí)燃燒室須實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定聯(lián)焰且不出現(xiàn)熄火現(xiàn)象；同時(shí)為了充分發(fā)揮第一級(jí)預(yù)混的優(yōu)勢，還需考慮在點(diǎn)燃第一級(jí)預(yù)混燃料后，中心級(jí)燃料退出對燃燒場產(chǎn)生的影響。針對這一問題，在低工況下保持中心級(jí)燃料量不變，分析第一級(jí)預(yù)混燃料量對冷、熱態(tài)流場的影響規(guī)律，同時(shí)在點(diǎn)火成功且總?cè)剂狭坎蛔兊幕A(chǔ)上，將中心級(jí)燃料退出，對比分析退出中心級(jí)燃料前后火焰形態(tài)及溫度分布的差異。

3.1 冷態(tài)場分析

應(yīng)先對該燃燒室中冷態(tài)流場進(jìn)行仿真計(jì)算，以便在后續(xù)研究及分析中，可更好地對流場某些特征進(jìn)行對比分析。圖7為該工況下中截面流場的速度分布云圖，圖8為燃燒室流線圖。

圖7 中截面速度分布云圖

圖8 流線分布圖

從圖7中可知，主流速度為正向，速度為負(fù)的區(qū)域?yàn)榛亓鲄^(qū)，回流區(qū)與主流區(qū)發(fā)生強(qiáng)烈的剪切作用，形成剪切層，剪切層附近氣體流速為55 m/s左右。結(jié)合圖7與圖8可知，主流空氣進(jìn)入燃燒室后由于旋流器壁面的作用，將主流氣體分隔成多股氣流進(jìn)入旋流器，隨旋流器葉片的導(dǎo)流，各級(jí)空氣均產(chǎn)生折轉(zhuǎn)，故在旋流器出口處形成旋轉(zhuǎn)擴(kuò)張的氣流，從而影響軸向逆壓力梯度變化，形成回流區(qū)，中心回流區(qū)呈“水滴”狀。從圖8可以看到，在火焰筒的前半部，形成了兩個(gè)近乎對稱的大渦，構(gòu)成主回流區(qū)，在一級(jí)旋流器出口位置存在兩個(gè)對稱的小渦，稱為唇口回流區(qū)。此外，在三級(jí)旋流器出口位置同樣形成了兩個(gè)對稱的渦，稱為角落回流區(qū)。

3.2 第一級(jí)預(yù)混燃料量對流場的影響

本節(jié)基于表1中低工況進(jìn)氣參數(shù)，在保證中心級(jí)軸、斜徑向質(zhì)量流量不變的基礎(chǔ)上，改變第一級(jí)預(yù)混燃料量，分析第一級(jí)預(yù)混燃料量不同對冷態(tài)流場及燃燒特性的影響，選用中心級(jí)軸向燃料質(zhì)量流量為0.5 g/s、斜徑向燃料質(zhì)量流量為1.5 g/s，同時(shí)加入第一級(jí)預(yù)混燃料量(3～17 g/s)，進(jìn)行模擬計(jì)算。

表1 低工況下進(jìn)氣參數(shù)

3.2.1 燃料空氣摻混分布情況

圖9為改變第一級(jí)預(yù)混燃料量時(shí)中截面甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布圖，圖中虛線表示甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的等值線。從圖中可知，保持中心級(jí)軸向孔及斜徑向孔燃料質(zhì)量流量不變，僅增大第一級(jí)燃料量，甲烷分布范圍逐漸變大。當(dāng)?shù)谝患?jí)質(zhì)量流量為3 g/s時(shí)，甲烷主要集中分布在三級(jí)旋流器內(nèi)部；當(dāng)?shù)谝患?jí)質(zhì)量流量為7 g/s時(shí)，甲烷分布最遠(yuǎn)處位于旋流器出口位置；當(dāng)?shù)谝患?jí)質(zhì)量流量為17 g/s時(shí)，甲烷分布最遠(yuǎn)處則位于火焰筒中前部。

圖9 中截面甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布圖

圖10為中截面甲烷當(dāng)量比分布圖，圖中細(xì)線表示甲烷當(dāng)量比為1.325的等值線，粗線表示甲烷當(dāng)量比為0.501 8的等值線。從圖中可知，當(dāng)?shù)谝患?jí)預(yù)混燃料質(zhì)量流量為3 g/s時(shí)，細(xì)線區(qū)域面積較小，隨第一級(jí)質(zhì)量流量的增大，細(xì)線區(qū)域逐漸增大，但當(dāng)?shù)谝患?jí)質(zhì)量流量增大至9 g/s時(shí)，該細(xì)線區(qū)域面積變化逐漸減小，可見當(dāng)?shù)谝患?jí)質(zhì)量流量高于9 g/s后，再繼續(xù)增大第一級(jí)質(zhì)量流量對甲烷當(dāng)量比為1.325所在區(qū)域范圍影響不大。增大第一級(jí)預(yù)混燃料質(zhì)量流量，圖中粗線區(qū)域逐漸增大。當(dāng)?shù)谝患?jí)質(zhì)量流量為3 g/s時(shí)，粗線區(qū)域主要集中在旋流器內(nèi)部；當(dāng)?shù)谝患?jí)質(zhì)量流量增大至9 g/s時(shí)，粗線區(qū)域最遠(yuǎn)處位于火焰筒中前部；當(dāng)?shù)谝患?jí)質(zhì)量流量增大至13 g/s時(shí)，粗線區(qū)域最遠(yuǎn)處延伸至火焰筒中部；繼續(xù)增大第一級(jí)質(zhì)量流量至17 g/s時(shí)，粗線區(qū)域幾乎完全覆蓋整個(gè)火焰筒?？梢?，增大第一級(jí)預(yù)混燃料質(zhì)量流量對甲烷當(dāng)量比為0.501 8所在區(qū)域范圍影響較大。因此增大第一級(jí)質(zhì)量流量可有效增大甲烷可燃極限范圍在火焰筒中所覆蓋的面積。

圖10 中截面甲烷當(dāng)量比分布圖

3.2.2 溫度場分布及燃燒特性變化情況

圖11為中截面溫度分布圖。從圖中可知，隨第一級(jí)預(yù)混燃料量的增大，火焰面積逐漸增大且火焰面前端逐漸后移。當(dāng)?shù)谝患?jí)質(zhì)量流量為3 g/s時(shí)，火焰主要集中在旋流器出口左右，且面積較小，呈三角形；當(dāng)?shù)谝患?jí)質(zhì)量流量為5 g/s時(shí)，火焰高溫區(qū)位于火焰筒中前部；繼續(xù)增大第一級(jí)質(zhì)量流量至9 g/s時(shí)，火焰高溫區(qū)主要集中在火焰筒中部，且高溫區(qū)面積較大，火焰面前端后移至旋流器出口位置；當(dāng)?shù)谝患?jí)質(zhì)量流量為13 g/s時(shí)，火焰延伸至火焰筒出口處，且高溫區(qū)逐漸向火焰筒出口方向移動(dòng)，此時(shí)火焰面前端出現(xiàn)“M”型分布趨勢；當(dāng)?shù)谝患?jí)質(zhì)量流量增大至17 g/s時(shí)，此時(shí)火焰高溫區(qū)主要位于火焰筒后部，且火焰面前端“M”型明顯。

圖11 中截面溫度分布圖

圖12為改變第一級(jí)預(yù)混燃料質(zhì)量流量時(shí)燃燒效率的變化曲線。從曲線圖中可知：當(dāng)總?cè)剂腺|(zhì)量流量為5 g/s，即第一級(jí)質(zhì)量流量為3 g/s時(shí)，燃燒效率最低，為97.16%；當(dāng)總?cè)剂腺|(zhì)量流量從5 g/s變化至11 g/s，即第一級(jí)質(zhì)量流量從3 g/s變化至9 g/s時(shí)，燃燒效率增長速度較快；當(dāng)總?cè)剂腺|(zhì)量流量為11 g/s時(shí)，燃燒效率最大，達(dá)到99.96%；再繼續(xù)增大總?cè)剂腺|(zhì)量流量，燃燒效率略有降低，但均維持在99.88%左右。

圖12 不同燃料量時(shí)燃燒效率變化曲線

圖13為改變第一級(jí)預(yù)混燃料質(zhì)量流量時(shí)OTDF變化曲線。從圖中曲線可知，隨總?cè)剂腺|(zhì)量流量增大，OTDF先增大再減小。當(dāng)總?cè)剂腺|(zhì)量流量為5 g/s，即第一級(jí)預(yù)混燃料質(zhì)量流量為3 g/s時(shí)，OTDF最低為25.13%；當(dāng)總?cè)剂腺|(zhì)量流量在7 g/s至15 g/s之間變化時(shí)，OTDF的增長速率逐漸增大；當(dāng)總質(zhì)量流量從15 g/s增大至17 g/s時(shí)，OTDF的增長速率略有降低；當(dāng)總質(zhì)量流量為17 g/s時(shí)，OTDF最大，說明此時(shí)出口溫度不均勻度較大，局部高溫易對渦輪葉片造成影響。

圖13 不同燃料量時(shí)OTDF變化曲線

3.3 中心級(jí)燃料退出對燃燒場的影響

本節(jié)基于上節(jié)計(jì)算結(jié)果，將中心級(jí)、斜徑向燃料退出，對比分析中心級(jí)燃料退出前后燃燒場的變化情況。為了保證中心級(jí)燃料退出前后燃燒室總當(dāng)量比不變，故將原中心級(jí)燃料加入至第一級(jí)燃料孔中噴射。

圖14為中心級(jí)燃料退出后中截面溫度分布圖。與圖11對比可知，兩圖中對應(yīng)工況的溫度分布形狀及位置均相近，但中心級(jí)燃料退出后，火焰前端距中心級(jí)端面更近，是由于在中心級(jí)燃料退出后，氣流對火焰吹掃作用減小，故火焰端面向前移動(dòng)。在總?cè)剂腺|(zhì)量流量為5 g/s與7 g/s時(shí)，高溫區(qū)接觸到中心級(jí)結(jié)構(gòu)，易對中心級(jí)結(jié)構(gòu)造成燒蝕。

圖14 中心級(jí)燃料退出后中截面溫度分布圖

圖15為中心級(jí)燃料退出前后燃燒場內(nèi)溫度為1 300 K等值線對比圖。從圖中可以看到，當(dāng)燃料總質(zhì)量流量為5 g/s和7 g/s時(shí)，溫度為1 300 K等值線位置差別較大。在中心級(jí)燃料退出后，即圖中紅色虛線距中心級(jí)出口端面更近，此時(shí)燃燒產(chǎn)生的高溫易將中心級(jí)結(jié)構(gòu)燒蝕；當(dāng)燃料總質(zhì)量流量繼續(xù)增加，中心級(jí)燃料退出前后1 300 K等值線區(qū)域分布位置及形狀均無明顯差別?？梢?，當(dāng)燃料總質(zhì)量流量為5 g/s與7 g/s時(shí)，中心級(jí)燃料退出前后對燃燒室內(nèi)溫度分布影響較大，而當(dāng)燃料繼續(xù)增加至19 g/s時(shí)，中心級(jí)燃料退出前后對燃燒室內(nèi)溫度分布幾乎無明顯影響。

圖15 中心級(jí)燃料退出前后1 300 K等值線

圖16為中心級(jí)燃料退出前后改變總?cè)剂腺|(zhì)量流量燃燒效率變化對比曲線圖。從圖中燃燒效率的變化趨勢可看出，中心級(jí)燃料退出后燃燒效率的變化規(guī)律與中心級(jí)燃料退出前相同；除當(dāng)總?cè)剂腺|(zhì)量流量為7 g/s時(shí)，中心級(jí)燃料退出前后燃燒效率存在一定偏差外，其余情況時(shí)中心級(jí)燃料退出前后燃燒效率幾乎相同?？梢?，在保證燃料量不變的情況下，中心級(jí)燃料退出與否對燃燒效率影響很小。

圖16 中心級(jí)燃料退出前后燃燒效率變化對比曲線

圖17為中心級(jí)燃料退出前后OTDF變化曲線對比圖。從圖中兩曲線對比可知，中心級(jí)燃料退出與否對OTDF存在一定影響：當(dāng)總?cè)剂腺|(zhì)量流量在5 g/s至11 g/s之間變化時(shí)，中心級(jí)燃料退出前后OTDF變化較?。划?dāng)總?cè)剂腺|(zhì)量流量高于11 g/s時(shí)，中心級(jí)燃料退出前后OTDF變化量變大。

圖17 中心級(jí)燃料退出前后OTDF變化曲線

4 結(jié)論

本章基于FLUENT軟件，利用FGM燃燒模型對天然氣同軸分級(jí)燃燒室低工況進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過對燃燒室流場分布、溫度分布、燃燒效率以及OTDF的分析，研究了第一級(jí)燃料量對燃燒室燃燒特性的影響規(guī)律。通過對比分析可以得到如下結(jié)論：

(1) 保持中心級(jí)燃料量不變，增大第一級(jí)燃料量可有效增大甲烷可燃極限范圍在火焰筒中所覆蓋的面積；同時(shí)隨第一級(jí)預(yù)混燃料量的增大，火焰面積逐漸增大且火焰面前端逐漸后移，燃料量增大到一定值時(shí)火焰面前端出現(xiàn)“M”型分布趨勢，當(dāng)總質(zhì)量流量為17 g/s時(shí)，OTDF最大，說明此時(shí)出口溫度不均勻度較大，局部高溫易對渦輪葉片造成影響。

(2) 在中心級(jí)燃料退出后，燃燒產(chǎn)生的高溫易將中心級(jí)結(jié)構(gòu)燒蝕,當(dāng)燃料量繼續(xù)增加，中心級(jí)燃料退出前后1 300 K等值線區(qū)域分布位置及形狀均無明顯差別；在保證燃料量不變的情況下，中心級(jí)燃料退出與否對燃燒效率影響很小。當(dāng)總?cè)剂腺|(zhì)量流量在5 g/s至11 g/s之間變化時(shí)，中心級(jí)燃料退出前后OTDF變化較?。划?dāng)總?cè)剂腺|(zhì)量流量高于11 g/s時(shí)，中心級(jí)燃料退出前后OTDF變化量變大。