中心分级旋流火焰宏观结构的预测与机理

20251128

科学研究和技术服务业

该成果依托北京航空航天大学航空发动机气动热力国家重点实验室的成熟科研平台，围绕中心分级旋流火焰宏观结构的预测与机理展开研究，目前技术体系已通过系统性实验验证，处于实验验证成熟阶段，为后续向工程应用转化奠定了扎实基础。 在技术成熟度方面，实验系统基于北航 BASIS 燃烧器改造的中心分级旋流光学模型燃烧室搭建，完整保留了航空发动机贫燃料预混中心分级燃烧室的关键结构特征，如主燃级旋流数设计为 0.5（对应叶片角度 31°）、预燃级旋流数固定为 0.68（由 6 个夹角 41° 的叶片组成），同时简化了部分复杂几何部件，在保证气动热力特征相似性的前提下降低了实验复杂度。光学测量视场设计适配多种诊断技术需求，OH化学自发光观测视场为 72mm×96mm，S-PIV 测量视场为 54mm×50mm，可稳定开展常温常压下的燃烧实验，操作流程已形成标准化规范。诊断技术上，采用 5kHz 高频 S-PIV 与 OH化学自发光同步测量技术，OH成像空间分辨率达 0.13mm/pixel，流场测量空间分辨率为 0.803mm，时间分辨率能够精准捕捉火焰宏观结构自发转换的瞬态过程（一秒内多次转换，单次转换时间尺度几十毫秒）。数据处理环节，运用 DaVis 10.1 软件进行 S-PIV 数据处理、Matlab 实现 OH图像阿贝尔逆变换、SPOD 模态分解流场与火焰信号，均为燃烧流体领域通用且经验证的成熟方法，研究可重复性强，本领域专业人员可依据报告中的参数设置与流程描述重复实验过程并评议结果。 工艺与性能指标参数方面，核心工艺参数覆盖了中心分级燃烧室的关键调控维度。空气分配参数上，速度比（主燃级与预燃级出口平均速度比）设定为 0.21.0，可覆盖预燃级主导（Rv=0.2）、主预燃级协同作用（Rv=0.4）、主燃级主导（Rv=0.61.0）三种典型流场状态；燃料分配参数中，分层比（预燃级当量比与主燃级当量比之比）取值 0.252.5，总当量比控制在 0.50.9（低于 0.5 易熄火、高于 0.9 易回火，此区间为稳定燃烧区间）；燃料组分参数通过掺氢比（氢气体积占甲烷 - 氢气混合燃料总体积的比例）调节，设置 0%、20%、40% 三档以研究燃料活性对火焰结构的影响。性能指标上，已采集 325 组火焰宏观结构数据，构建了涵盖预 V 形抬升、主 M 预 M 形、主 V 预 M 形等 10 种典型结构的宏观结构图谱；建立的基于达姆科勒数（Da）的预测模型，定量给出了火焰结构判据 ——Da<500 时，火焰多为抬升或 V 形，Da>2000 时，火焰多为附着 M 形，模型可有效预测多工况下火焰宏观结构；同时，通过瞬态测量捕捉到火焰宏观结构自发转换过程，明确主预燃级流场交汇处为关键影响区域，揭示了流场扰动、燃烧反馈与涡旋驱动的耦合作用机制，为火焰稳定性调控提供了精准的物理依据。 在成果转化阶段方面，目前处于实验室基础研究成果阶段，已圆满达成本科生 “启研” 计划设定的研究目标，包括构建多工况火焰宏观结构预测模型、揭示火焰自发转换机理等。成果已具备向工程应用转化的核心基础，其明确的参数调控规律（如速度比影响流场主导模式、掺氢比提升燃烧活性）与定量设计判据（Da 数阈值、St 数稳定区间），可直接为先进低排放燃烧室的结构优化（如旋流器叶片角度设计）、工况匹配（如主预燃级燃料分配比例）提供理论支撑。不过，当前尚未进入工程化验证或产业化阶段，后续需进一步开展中高压工况拓展实验，结合实际航空发动机燃烧室的工作环境优化模型参数，推动理论成果向工程设计工具转化，为燃气轮机燃烧室的低排放、高稳定性设计提供更直接的技术支持。

本科技成果聚焦中心分级旋流火焰宏观结构的预测与机理，目前已完成实验室基础研究验证，为推动成果向航空发动机低排放燃烧室设计、燃气轮机燃烧系统优化等工程领域转化，需与具备航空动力或燃气轮机相关技术基础的企业、科研机构开展合作，具体合作需求如下： 在资金支持方面，需合作方提供专项转化资金，用于弥补现有实验室研究与工程化验证间的技术 gap。资金主要投向三方面：一是中高压实验系统改造，当前研究基于常温常压平台，后续需搭建可模拟燃气轮机实际工作环境的中高压燃烧实验台（压力范围 0.5-3MPa），包括高压燃烧室腔体加工、密封系统升级及安全防护装置配置，需覆盖硬件定制与系统调试费用；二是实验耗材与专用试剂采购，转化阶段需开展多燃料（如不同掺氢比的甲烷 - 氢气混合燃料、实际航空煤油替代燃料）、多工况的长期实验，需持续供应高纯度燃料、S-PIV 测量用示踪粒子（如氧化铝微球）及化学诊断所需的专用滤波器件，同时需储备易损件（如高压密封件、光学玻璃视窗）；三是数据分析与模型优化支撑，需引入工程化数值模拟软件（如适用于复杂燃烧系统的 CFD 工具），并支持联合团队开展数据标注、模型迭代验证等工作，保障预测模型向工程设计工具转化。 在场地保障方面，需合作方提供适配工程化实验的专用场地，场地需满足三项核心要求：一是空间规模，需容纳中高压燃烧实验台、光学诊断系统（含激光器、高速相机及同步触发设备）及数据采集工作站，建议场地面积不小于 50㎡，且预留至少 10㎡的光学测量专属区域，避免外界振动、光线干扰；二是安全与配套设施，因实验涉及高压、燃烧及氢气等燃料，场地需具备防爆设计（如防爆墙体、泄爆口）、强制通风系统及燃气泄漏检测装置，同时需配备专用的燃料储存间（符合高压气体存储安全标准）；三是场地兼容性，需支持实验系统的长期固定安装与调试，地面需具备承重能力（适配高压实验台及重型光学设备，承重不低于 500kg/㎡），且预留电路、气路接口，满足多设备同步运行需求。 在设备资源方面，需合作方补充现有实验室未覆盖的工程化实验与诊断设备，以完善成果验证体系。一是中高压燃烧核心设备，包括可精准控制压力、温度的燃烧实验本体（需支持主预燃级独立供气与燃料调节）、高精度燃料供应系统（能实现 0-100% 掺氢比的稳定配比，流量控制精度 ±0.1SLPM）；二是先进诊断设备，现有 OH * 化学自发光技术可升级为 OH 平面激光诱导荧光（OH PLIF）系统，需合作方提供该类设备或联合采购，以获取更精准的火焰反应区分布数据，同时需补充高压环境下的流场测量设备（如耐高压 S-PIV 探头）；三是数据处理与存储设备，因工程化实验会产生海量瞬态数据（单工况数据量可达数百 GB），需合作方提供高性能计算服务器（支持多线程数据并行处理）及专用存储阵列，保障数据高效分析与安全备份。 在人员协作方面，需合作方配备具备航空动力工程、燃烧流体力学、实验测试技术等领域专业能力的团队，形成联合协作机制。具体而言，需合作方投入三类核心人员：一是工程化设计人员，需熟悉航空发动机燃烧室结构设计规范，能将实验室预测模型（如达姆科勒数判据）转化为实际燃烧室的几何参数、燃料 / 空气分配方案，具备 CAD 设计、工程制图能力；二是实验技术人员，需掌握高压燃烧实验的操作流程与安全规范，能协助开展中高压工况下的火焰结构测量、流场数据采集，具备实验设备维护与故障排查经验；三是数据分析与验证人员，需熟悉燃烧系统数值模拟工具（如 Fluent、Chemkin-Pro），能与北航团队共同优化火焰宏观结构预测模型，验证模型在工程工况下的准确性。同时，合作方人员需具备良好的协作意识，参与联合项目例会，共同推进实验方案制定、数据复盘及成果落地进度，确保理论成果与工程需求高效衔接，最终实现成果向低排放燃烧室设计技术的转化应用。

可国（境）内外转让

本成果聚焦中心分级旋流火焰的预测与机理研究，核心价值在于为航空发动机、燃气轮机低排放燃烧室设计提供理论支撑与技术工具，其转化应用将在经济效益与社会效益层面产生多重价值，具体如下： 在经济效益方面，成果转化将直接赋能航空动力、能源装备等高端制造领域，降低企业研发成本，提升产品竞争力，同时带动相关产业链发展。对航空发动机制造企业而言，当前低排放燃烧室设计多依赖 “试错式” 实验，研发周期长、成本高，而本成果建立的火焰宏观结构预测模型（基于达姆科勒数的定量判据）可直接嵌入燃烧室设计流程，帮助企业提前预判不同工况下的火焰形态与稳定性，减少物理样机试制次数。以某型航空发动机燃烧室研发为例，传统流程需开展 50-80 组工况实验，转化应用后可通过模型筛选关键工况，实验组数减少 30%-40%，研发周期缩短 2-3 个月，单型号研发成本降低 150-200 万元。对燃气轮机行业而言，成果可优化地面发电、舰船动力用燃气轮机的燃烧系统，通过调控速度比、分层比等参数提升燃烧效率（预计可使燃料利用率提升 2%-3%），以一台 100MW 级燃气轮机为例，年运行小时数按 8000 小时计算，每年可节省天然气消耗约 50-80 万立方米，折合成本 40-60 万元，若在国内千台级燃气轮机 fleet 推广，年经济效益可达数亿元。此外，成果转化还将带动上游高端实验设备、耗材产业发展，如中高压燃烧实验台定制、专用光学诊断器件生产等，形成 “技术研发 - 设备制造 - 产业应用” 的产业链联动，间接创造就业岗位，促进相关领域技术升级。 在社会效益方面，成果转化将助力 “双碳” 目标实现，提升我国航空动力领域核心技术自主可控水平，同时推动燃烧科学基础研究与工程应用深度融合。在环保效益上，低排放燃烧室是减少燃气轮机氮氧化物（NOx）排放的关键，本成果通过优化火焰宏观结构（如抑制火焰局部高温区），可辅助设计出 NOx 排放更低的燃烧系统，预计转化应用后，航空发动机燃烧室 NOx 排放可降低 10%-15%，地面燃气轮机 NOx 排放可控制在 25ppm 以下（满足国家超低排放标准），若在国内民航客机、燃气电站中批量应用，每年可减少 NOx 排放数万吨，缓解大气污染压力。在技术自主方面，当前我国先进航空发动机燃烧室设计多依赖国外经验数据，本成果基于自主研发的实验平台与理论模型，打破了传统单旋流火焰研究的局限，为中心分级燃烧室设计提供了国产化技术方案，可减少对国外技术的依赖，提升我国航空动力领域的核心竞争力，助力航空发动机 “自主可控” 战略落地。在科研与人才培养层面，成果转化过程中形成的 “实验室研究 - 工程化验证 - 产业应用” 协同模式，可推动高校基础研究与企业工程需求深度对接，培养一批兼具燃烧理论基础与工程实践能力的复合型人才，为航空动力、能源装备领域持续输送技术骨干，同时为后续燃烧系统创新研究积累经验，推动我国在旋流燃烧领域的基础研究水平向国际领先迈进。

北京市自然科学基金本科生“启研”计划

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

本成果是北京航空航天大学在北京市自然科学基金本科生 “启研” 计划支持下，针对航空发动机、燃气轮机低排放燃烧室设计核心需求，开展的中心分级旋流火焰宏观结构研究成果，已通过系统性实验验证与理论建模，为先进燃烧系统优化提供关键技术支撑。 成果聚焦中心分级旋流火焰这一复杂燃烧形态，突破传统单旋流火焰研究局限，首次构建多工况下火焰宏观结构图谱与定量预测模型，揭示火焰宏观结构自发转换机理，填补了中心分级燃烧组织方式下火焰特性研究的空白。研究依托北航航空发动机气动热力国家重点实验室，基于改造的中心分级旋流光学模型燃烧室（保留航空发动机燃烧室关键结构，主燃级旋流数 0.5、预燃级旋流数 0.68），采用 5kHz 高频 S-PIV 与 OH * 化学自发光同步诊断技术，结合 Chemkin 数值模拟与 SPOD 模态分解方法，形成 “实验测量 - 数据建模 - 机理揭示” 的完整研究体系。 在技术内容上，成果核心包含三部分：一是构建多参数耦合的火焰宏观结构图谱。通过定义速度比（0.21.0）、分层比（0.252.5）、总当量比（0.50.9）、掺氢比（0%40%）等关键参数，采集 325 组实验数据，识别出预 V 形抬升、主 M 预 M 形等 10 种典型火焰结构，明确各参数对火焰形态的调控规律 —— 速度比决定流场主导模式（预燃级 / 主预燃级协同 / 主燃级主导），分层比调控燃料分配影响火焰轮廓与温度分布，掺氢比提升燃烧活性推动火焰向预燃级主导演变。二是建立基于达姆科勒数（Da）的预测模型。通过 Chemkin 计算层流火焰速度，结合流体动力与化学动力学时间尺度，提出定量判据：Da<500 时火焰多为抬升或 V 形，Da>2000 时多为附着 M 形，可精准预测多工况下火焰宏观结构，为燃烧室工况匹配提供理论依据。三是揭示火焰宏观结构自发转换机理。通过瞬态测量发现，工况不变时火焰在主 M 预 M 形与主 V 预 M 形间的自发转换，源于主预燃级流场交汇处的流场扰动 - 燃烧反馈 - 涡旋驱动耦合作用，该区域为关键影响位置，微小扰动即可引发火焰形态显著变化。 成果技术优势突出，实验系统基于成熟光学模型燃烧室，诊断技术空间分辨率达 0.13mm/pixel（OH * 成像）、时间分辨率满足瞬态捕捉需求，数据处理方法标准化可重复；预测模型突破传统经验性判断局限，实现火焰结构定量预测；机理揭示为火焰稳定性调控提供精准物理机制，相较单旋流火焰研究更贴合先进燃烧室实际结构。目前成果处于实验室基础研究成熟阶段，已具备向工程应用转化的基础，可直接支撑航空发动机低排放燃烧室、燃气轮机燃烧系统的结构优化与工况设计，助力提升燃烧效率、降低污染物排放，推动我国航空动力领域核心技术自主创新。