天然气是我国的主要能源之一。相对于天然气燃烧时效率高、SO2排放少等特点,其燃烧时产生的高温更易于生成NOx。因此天然气燃烧器的优化设计,对于天然气的清洁、高效利用具有非常重要的作用。本文提出了一种结合空气分级、燃料分级以及旋转射流技术的低NOx排放天然气燃烧器结构,通过实验研究、理论分析和数值模拟等手段进行了系统研究。针对新型天然气燃烧器的研究,本文从以下四个层面依次展开工作,包括:冷态流动实验研究、基于CFD冷态流动和热态燃烧数值模拟研究、多因素作用下NOx排放模拟研究以及基于RSM的关键影响因素研究。本文设计并搭建了燃气燃烧器实验平台,基于该实验台对新型天然气燃烧器进行了冷态实验,利用热线风速仪对燃烧室内冷态流动进行了流场测量。结果表明:在燃烧室内气体形成了中央回流区,回流区的长度为0.75m,在燃烧室沿宽度方向上的轴向速度分布呈现出中间凹两边凸的“马鞍”型。基于FLUENT软件对冷态流场进行了数值模拟,提取流场中的轴向速度与冷态实验相互验证。结果表明:冷态数值模拟的速度分布与实验基本一致,说明选用的数值模型是可靠的。利用数值模拟研究了燃烧器的结构参数-旋流角度和运行参数-空气过剩系数以及空气预热温度对燃烧器燃烧性能的影响。结果表明:随着旋流角度的增加,NOx的生成量先减少后增加,旋流角度为40°时,燃烧室内回流区最长,温度分布最均匀,且NOx的生成量最小;随着空气过剩系数的增加,NOx的生成量先增加后减小;随着空气预热温度的增加,燃烧室内平均温度升高,NOx的排放量也随之逐渐增加。运用响应面法对上述结构和运行参数进行优化分析,得到了二次预测模型。结果表明:三种参数对NOx生成量都有影响,显著性影响从大到小依次为空气预热温度、空气过剩系数、旋流角度;在旋流角度为40°,空气过剩系数为1.05以及空气预热温度为293K时,NOx的排放量最低。