作为一种高效清洁的新型燃烧技术,旋流管状火焰具有良好的气动和热稳定性,应用前景广泛。本文在旋流管状火焰中引入轴向气体射流工质,通过改变旋流数、轴向射流入口边界条件,实验研究了不同参数对火焰结构、稳定性及温度分布等的影响规律;基于流场可视化实验,并结合数值仿真计算,对管状火焰与轴向射流的传热、传质过程进行了深入研究,探讨了气体工质快速高效加热的规律,并提出了优化方案。燃烧实验结果表明,无轴向射流时,旋流管状火焰均匀稳定,燃烧室壁面温度低,火焰带内部高温区域均匀分布;加入轴向射流后,火焰根部抬升,气体工质在很短行程内快速升温至1000°C以上;旋流数的增加有助于提高火焰对轴向气流的加热效率,减少加热时间和行程;随工质气流量增大,火焰抬升加剧,中心区域温度降低,高温范围变窄,加热行程增加;随工质喷嘴孔径增大,火焰抬升减弱,火焰趋于稳定,加热效果提高;相同喷孔面积下,喷嘴孔数越多,火焰更加稳定,但其对加热效果影响很小;喷嘴集中度越小,掺混过程加快,管状火焰对轴向气流的加热效果越好。对比不同工况下轴向气流与切向气流的掺混效果,高旋流数下燃烧室内湍流强度较大,轴向工质、切向气流接触面积增加,掺混距离缩短;随着工质流量增大,燃烧室内回流区域减少,掺混效果减弱;对于气体工质喷嘴结构,喷嘴孔径、孔数的增加及喷嘴集中度的减小,有助于促进轴向、切向气流的混合,进而提高加热效率。数值仿真分析一方面验证了燃烧实验及流场可视化实验结果,另一方面从燃烧室气体工质分布及湍流强度角度进一步揭示了管状火焰高效加热机制——高旋流数及大喷嘴孔径增加了燃烧室内气流换热面、滞留时间及湍流强度,增强了气流混合及加热效果;工质气体流量增加,燃烧室内其分布更广,不利于管状火焰对轴向气流的快速高效加热。