随着燃烧室向高温升和低排放方向发展,燃烧室头部进气量达到40%-70%,头部进气量的增大将会严重威胁燃烧稳定边界。针对头部大进气量下的燃烧稳定性问题,多级旋流分级燃烧室是一种兼顾设计点燃烧性能和非设计点燃烧稳定的解决方案。本文提出了一种多级旋流分级燃烧室设计构型,其主要特点是预燃级由预膜式空气雾化喷嘴匹配两级轴向旋流器构成,主燃级设计为两级反向旋流组合。针对提出的头部结构设计,开展了预燃级设计参数和主燃级设计参数对流场结构、燃油分布和点熄火性能影响的试验研究,并采用数值模拟对点火和熄火过程进行定量分析,以建立点熄火过程与流场和燃油分布图谱之间的内部关联,阐明点火物理过程的主导机制。进一步,在得到的点熄火主导机制基础上,建立了点火过程的物理模型,通过提取特征参数对各个子过程进行定量表征,形成了点火特性初步预估方法。主要研究工作包括以下四方面:(1)预燃级设计参数对点熄火特性的影响研究。主要研究了旋流器旋向、内级旋流强度、外级旋流强度和两级气流分配对点熄火特性的影响,研究发现旋向由反向变为同向将导致燃油分布由实心雾锥变为空心雾锥,恶化了点火和熄火特性;内级旋流增强加速了预燃级两级旋流的扩张和混合,降低了火焰传播路径上的燃油浓度,不利于火焰向头部的传播;外级旋流强度减小一方面减小了火焰传播路径上的燃油浓度,另一方面恶化了火焰稳定环境,导致点火和熄火油气比升高;外级旋流强度增大时,对流场、燃油分布影响较小,点熄火特性基本不变;内级气量分配减少造成火焰传播路径上油气比降低,火焰根部稳定条件也变差,点火和熄火特性同时下降;内级气量分配增加时,导致预燃区流动方向由回流变成正向流动,而火焰传播路径上的燃油浓度提高,在低压降工况燃油分布的有利影响起主导作用,点火和熄火特性有所改善,在较高压降下流场结构的不利影响决定了点火和熄火特性降低。(2)主燃级设计参数对燃烧稳定性的影响规律和主要作用机制。主要研究了分层隔板长度、两级气流分配和两级旋流强度的影响,研究发现:分层隔板长度增加会导致回流区轴向和径向尺度增大,改善点火和熄火特性;内级气量分配增大后,对回流区尺度影响并不大,但会大大增加主燃级流动的不稳定性,造成点火性能恶化,而其根部稳燃环境改善,熄火特性有所提高;内级旋流强度减小时回流区尺度稍微增大,点火特性变化较小,以Ka数表征的火焰稳定条件变好,改善了熄火特性;外级旋流强度减小时,尽管回流区尺度有所减小,但火焰传播路径上的燃油浓度增加并且主导了点火过程,使得点火性能改善,熄火性能变化较小。(3)多级旋流分级燃烧室的流场和燃油分布主导机制。预燃级旋流组织主要影响预燃级出口的局部流动结构,主导了回流区的内边界,决定了预燃级燃油分布图谱;主燃级设计参数改变主要影响回流区外边界,而对回流区内边界和燃油分布影响较小。主回流区尺度主要受主燃级两级旋流控制,其主导机制包括“外级旋流主导”、“两级主导外级占优”和“两级主导内级占优”三种模式。点火过程主要受三种物理机制主导,包括:(1)预燃级燃油分布主导机制;(2)预燃区流动主导机制;(3)主回流区结构主导机制。(4)构建燃烧室点火物理模型和点火特性初步预测方法。基于获得的点火主导物理机制,建立了点火过程物理模型,包括火核生成过程、火焰径向和轴向传播过程和火焰稳定过程。通过对点火子过程的定量描述,形成了点火特性的初步计算方法,分别应用于钝体火焰点火概率计算和多级旋流分级燃烧室的点火特性计算上。计算结果表明点火预测方法合理预测了钝体火焰的点火概率分布。通过试验数据回归确定了多级旋流分级燃烧室点火模型参数,与试验数据相比,线性回归得到的点火特性合理预测了点火特性变化趋势,但其精度有待进一步提高。本文研究所得的机理、模型和预测方法既能够指导多级旋流分级燃烧室设计和点火/熄火特性优化,也能用于传统旋流燃烧室点火特性预估,能够为发展高性能低排放、高温升燃烧室提供了技术支撑。