随着环保法规的日益严格,燃气轮机低排放燃烧技术的重要性也愈发凸显。在燃用天然气的燃气轮机燃烧室中,作为火焰稳定器和燃料-空气混合器的燃烧室头部对燃气轮机燃烧室的燃烧特性有重要影响,燃料/空气掺混的均匀性将影响温度场的分布,进而对污染物排放等产生影响,而流场组织的好坏将直接影响燃烧场的性能,同时影响污染物排放。研究燃料和空气的掺混规律以及头部设计方案是意义重大的。本文基于某环形燃烧室,采用数值模拟方法研究燃烧室头部燃料/空气的掺混性能并给出预测规律,同时研究燃烧室流场组织性能并提出预测方法,研究结果对低排放燃烧室的头部结构设计有重要指导意义。本文的主要工作内容为:(1)针对燃烧室头部的燃料/空气掺混性能,采用数值模拟方法研究某塔式旋流器叶间单流道下,可控边界参数对掺混性能的影响规律,得到了掺混性能与动量比、燃气平均速度、掺混孔的布置方式、孔间距、孔数、孔径、掺混距离等参数的规律及经验预测公式。研究发现,对掺混均匀性来说,掺混距离越长,掺混性能越好;在叶间流道不同面上开设掺混孔所得到的掺混性能有明显差异,采用在迎风面及背风面对齐开单孔的方式,可以使掺混性能达到设计要求;动量比J一定时,合理增加孔间距可以改善掺混性能;在孔径达到某一值之后,随着孔径的增加,掺混效果越来越好。此外,并非动量比J越大越利于掺混。(2)基于某环形燃烧室,设计出一个塔式三级旋流器结构,可以实现在全预混模式和值班级模式下工作,采用数值模拟计算得到的燃烧性能指标除总压损失偏大外,其余均满足设计要求,并参考设计计算结果完善了掺混性能预测规律。(3)针对燃烧室的流场组织规律,采用数值模拟方法研究旋流数在0.7-1.3范围内变化时,燃烧场性能的变化规律,建立了通过冷态场预测热态场内回流区尺寸参数的预测模型。发现由冷态场的回流区形状,可以判断出燃烧温度场及反应区域的基本形状;随着旋流数的增加,回流区的宽度和长度总体呈现增大的趋势,且流线扩张角变大,回流区域明显变大;随着旋流数的增加,总压损失增大。同时得到了低排放燃烧室中燃料/空气掺混结构设计方法。