环境保护与燃料灵活性需求的不断增长给燃气轮机燃烧室技术提出了新要求,为了实现极低NOx排放与燃料多样性兼顾的目标,需要采用更为先进的燃烧技术,而低旋流燃烧技术已经成功应用于小型商业燃烧设备和工业加热炉,并表现出良好的燃烧特性,因此有必要对低旋流燃烧的火焰稳定机制,以及在燃气轮机条件下运行参数和几何结构参数的影响规律展开系统的研究。本文采用数值模拟和实验研究相结合的方法研究了低旋流喷嘴燃烧特性的参数影响规律和火焰稳定机制。首先选择合适的数值计算模型并进行可靠性验证。然后对燃气轮机运行条件下的低旋流喷嘴进行稳态数值模拟研究,包括与强旋流喷嘴流场结构和燃烧特性的对比分析,结合正交试验设计方法研究多个运行参数和多个几何结构参数对低旋流喷嘴流场特性和火焰特性的影响规律。再进行常温常压下的实验研究,使用PIV测量无反应流场速度分布,记录火焰形态,并测量熄火、回火极限以及污染物排放,验证并补充研究了重要参数的影响规律。最后通过大涡模拟研究低旋流燃烧流场中火焰与涡的相互作用,对其火焰结构和稳定机制有了深入的认识。本文的主要结论如下:1.低旋流喷嘴与强旋流喷嘴的对比研究:稳态数值模拟和实验研究显示,相同质量入口条件下,开放空间中两者的中心回流区和火焰形态不相同,强旋流的中心回流区强度大且与中心体相连,火焰稳定于内剪切层且附着在中心体边缘,而低旋流喷嘴的中心直流使喷嘴出口近场中心区域为发散区,之后为较弱的回流区且前缘呈W型,火焰稳定于内剪切层和中心发散区,呈W型的抬升火焰;突扩型火焰筒中,两者的角回流区相近,与开放空间中相比均增加了稳定在外剪切层并附着在喷口外沿上的外侧火焰,两者的内部火焰形态不相同,与开放空间中两者火焰形态的不同相一致。低旋流喷嘴的熄火临界当量比和NOx排放比强旋流喷嘴的小。2.运行参数的影响:稳态数值模拟结果显示,在燃气轮机燃烧室运行条件下,空气入口速度U0=15～45m/s、温度T=450～650K、压力P=0.1～0.8MPa、甲烷当量比Φ=0.6～0.8范围内,只有U0对低旋流喷嘴的总压损失系数有高度显著影响,T、P、Φ对NO排放、压力损失系数和出口温度分布的影响均为不显著影响。低旋流喷嘴出口近场中心区域的无量纲轴向速度分布具有发散自相似的特性。火焰锋面稳定在湍流火焰速度等于气流速度的位置,火焰抬升高度基本不变。常温常压下U0=5～1Om/s的实验数据显示,入口速度对火焰形态和熄火、回火极限影响很小,与数值模拟分析一致。3.几何结构参数的影响:稳态数值模拟结果显示,低旋流喷嘴的四个几何参数:叶片安装角α =32°～42°、中心通道半径Rc=14.7～22.7mm、多孔板小孔直径d=2.7～3.4mm以及预混段长度L=45～68mm,在研究范围内,只有Rc对总压损失系数有显著影响,α、d、L对总压损失系数、NO排放和出口温度分布系数均为不显著影响;Rc和d对喷口轴向速度分布的影响最大,进而影响火焰的位置、张角、长短以及形态。常温常压下实验结果显示,α对火焰形态的影响不显著,开放空间中熄火临界当量比随着α增加而增加,突扩火焰筒中熄火临界当量比随着α增加先增加后减小,但影响较小,α对回火临界当量比的影响较大,增加α可以提高低旋流火焰的抗回火能力;当α=37。,d增加使多孔板开孔率从0.19增加到0.34,火焰形态相似,火焰尺度和抬升高度有所增加,与数值模拟结论一致;但对熄火、回火极限几乎没有任何影响。稳态数值模拟结果显示,四个火焰筒结构参数包括火焰筒的入口扩张角β=90°～180°、直径DL=2D～3D、长度LL=3.5D～4.5D以及出口渐缩角度γ=20°～45°,在研究范围内,只有β对NO排放有高度显著影响,其它影响均不显著,角回流区属于高温区,β减小对角回流区的抑制可以减小NO排放。常温常压下实验结果显示,β减小,角回流区被压缩,外剪切层火焰消失,火焰长度变长,与数值模拟结论一致;熄火临界当量比随着β的增加先减小后增加,但变化幅度较小;β对NOx排放的影响趋势不明确,与数值模拟结论不一致,仍需深入研究。4.低旋流火焰结构和稳定机制:对突扩型火焰筒中的低旋流喷嘴进行大涡模拟,无反应瞬态流场和反应瞬态流场中12个点的脉动压力的主频都是39Hz的整数倍,燃烧使脉动压力的最低主频由39Hz变成156Hz,冷热态流场都存在大尺度涡结构和进动涡核。低旋流火焰分为外侧附着火焰和内部抬升火焰,内部抬升火焰锋面周期性地出现W型的大尺度褶皱,与实验现象一致,这是由于内剪切层脱落的旋涡不断将火焰卷向上游,而在喷嘴出口的中心低速区内部,火焰前锋被中心直流气流推向下游,流场对火焰的这两种作用之间的竞争导致在火焰锋面前缘呈现W型。低旋流火焰的中心低速区是自由传播火焰,实质上是依靠高速内剪切层中的旋涡来稳定的。