随着自然资源不断消耗、全球气候变暖以及环境污染等问题日益突出,节能减排技术备受关注。富氧燃烧技术具有燃烧效率高、火焰温度高、污染物排放少以及能耗低等优点,能够有效缓解能源紧张以及环境恶化带来的威胁。因此,开展富氧燃烧研究具有重要的现实意义。本文采用一种将燃料与氧化剂分别切向注入到圆柱形燃烧室内的急速混合管状火焰燃烧技术,开展了甲烷富氧燃烧实验与数值仿真研究。首先,实验研究了稀释剂添加方案、流量、燃烧器入口宽度以及旋流数等对火焰结构的影响规律;探讨了不同入口宽度和燃烧器直径对可燃范围的影响;其次,通过开展冷流实验,对燃烧器内燃料与氧化剂的掺混过程和混合效果进行了研究,并进行了相应的数值仿真,模拟结果与实验结果基本吻合,验证了数值模拟计算方法的可行性;在此基础上对稀释剂不同添加方案、不同流量以及不同入口宽度燃烧器内燃料与氧化剂的掺混效果进行了数值模拟分析。研究结果表明,燃料侧与氧化剂侧均注入稀释剂时,入口处燃料与氧化剂混合较好,火焰结构较均匀;流量增加,燃料与氧化剂的混合距离缩短,火焰趋于均匀;根据燃料与氧化剂完全反应的系数比设置燃烧器入口宽度比,且入口宽度越小,混合效果越好,较高氧气浓度下,能有效遏制扩散火焰的形成;随着氧气浓度升高,燃烧器可燃范围增大,入口宽度对可燃范围影响微小,直径较大的燃烧器可燃上限较高。