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驻涡燃烧室（Trapped Vortex Combustor, 简称TVC）自提出以来已经历了二十多年的研究与发展，但目前的研究成果距离实际工程应用还有一定距离，这不仅有工程技术上的限制，更受限于驻涡燃烧室基础理论研究还不够深入，尤其是针对采用液态燃料的驻涡燃烧室油气组织方法方面的研究，主要包括：流场结构组织及控制研究、与流场结构相匹配的供油方式及燃油分布特性研究、凹腔与主流的油气匹配特性等研究。因此，本文以采用液态燃料（RP-3型航空煤油）的驻涡燃烧室为对象，开展驻涡燃烧室油气组织方法研究，为后续的驻涡燃烧室设计及工程应用提供参考。
本文首先开展了驻涡燃烧室凹腔流动特性研究，重点讨论了联焰板流向长度对凹腔流动特性的影响。随后，发展了与凹腔流场结构匹配的供油方式，并对凹腔内的燃油分布特性开展了相应研究。在凹腔流动特性及燃油分布特性研究的基础上，进一步开展了燃烧性能方面的研究。通过上述研究：（1）获得了凹腔流场特性及燃烧性能随联焰板流向长度的变化规律并总结了相应的流动控制方法。研究发现，当联焰板流向长度较短时（L=5mm），主流向凹腔中大量卷吸，凹腔内的回流区被挤压变小，其中副涡略有增大，而主涡明显变小且涡心位置靠近凹腔前壁。此外，凹腔中轴向速度分布范围变窄，回流流量和湍流强度也随主流的卷吸而增大。此时驻涡燃烧室的点火性能和贫油熄火性能较差，但燃烧效率略高；当联焰板流向长度较长时（L=20mm），主流向凹腔中的卷吸量明显减少，凹腔内回流区变大且速度分布范围变宽，凹腔内的回流流量和湍流强度也相对较小。此时驻涡燃烧室的点火性能和贫油熄火性能较好，而燃烧效率略低。（2）提出并设计了气旋耦合喷嘴作为凹腔的供油方案，并构建了与凹腔流场结构匹配的油雾场。研究发现，当凹腔采用气旋耦合喷嘴供油时，在凹腔内形成扇形油雾，燃油直接供入凹腔回流区外缘的剪切层内，很好地匹配了凹腔内的流场结构，使燃油可以与凹腔空气进行充分掺混。此时，驻涡燃烧室在点火、贫油熄火及燃烧效率等方面均表现良好。当凹腔采用离心喷嘴供油时，在凹腔内形成圆锥形油雾，与凹腔内的流场结构匹配较差，其中一部份燃油直接喷射到凹腔底壁，另一部分燃油直接喷射进凹腔回流区的中心区域，无法与凹腔内新鲜空气进行充分掺混。此时驻涡燃烧室在点火、贫油熄火、燃烧效率等方面均表现较差。
随后开展了主流流动特性、油气掺混特性和燃烧性能等三个方面的研究。研究结果表明联焰板流向长度对主流的流场结构有决定性影响，且这种影响主要是通过联焰板的“截流”作用实现的。研究发现：（1）主流随联焰板流向长度的变化呈现出三种不同的流态，当联焰板流向长度较短时（L=5mm），主流呈现出收缩流态并在联焰板后诱导出较大的低压区，此时主流的燃烧效率在低油气比工况下较高，而在高油气比工况下较低；当联焰板流向长度较长时（L=20mm），主流呈现出扩张流态并在联焰板后诱导出较小的低压区，此 时主流的燃烧效率在低油气比工况下较低，而在高油气比工况下较高；当联焰板流向长度适中时（L=10mm、L=15mm），主流由收缩流态向扩张流态过渡。（2）获得了主流油气掺混特性与气动多点供油装置出流孔参数的变化规律，提出了一种优化主流油气掺混的思路。当主流供油装置的出流孔数量较少时（2个、3个），燃油的穿透深度较大且呈离散分布，此时主流的燃烧效率较低；当主流供油装置的出流孔数量适中时（4个），燃油的穿透深度适中且分布均匀，油气掺混效果最好，此时主流的燃烧效率最高；当主流供油装置的出流孔数量较多时（5个），燃油的穿透深度最小且分布较为集中，油气掺混差，此时主流燃烧效率最低。
在以上研究基础上，本文进一步开展了凹腔与主流油气匹配特性研究，研究结果表明：（1）驻涡燃烧室的燃烧性能受凹腔与主流之间燃油分配比例的影响。在驻涡燃烧室总油气比一定的条件下，其燃烧效率随凹腔油量与主流油量之比的增加而升高，OTDF 随凹腔油量与主流油量之比的增加先减小后增大。（2）驻涡燃烧室的燃烧性能受凹腔与主流供油方式匹配影响。当凹腔和主流分别采用气旋耦合喷嘴和气动多点装置供油时，可以避免凹腔中的燃油直接供入主流影响主流局部油气比，此时，驻涡燃烧室的燃烧效率与OTDF均优于采用离心喷嘴和气动多点供油装置的方案。
综合上述研究结果，本文总结了驻涡燃烧室的油气组织方法，即调整联焰板流向长度获得不同的流场结构，通过创新供油方式构建与流场结构相匹配的燃油分布以获得良好的油气掺混特性，最后调整凹腔与主流之间的油气匹配优化燃烧性能。此外，以高温升燃烧室为对象对本文总结的驻涡燃烧室油气组织方法进行了试验验证。结果表明：当仅凹腔供油且油气比在0.010 ～ 0.015之间时，优化后的驻涡燃烧室燃烧效率高于98.82 %；当凹腔和主流同时供油且油气比在0.037 ～ 0.040之间时，优化后的驻涡燃烧室燃烧效率高于99%；当油气比大于0.03时，优化后的驻涡燃烧室OTDF小于0.20。此外，优化后的驻涡燃烧室贫油熄火油气比降到了0.00283。上述试验结果表明，采用本文所提出的油气组织方法优化的驻涡燃烧室可以满足高温升燃烧室的性能要求。
本文首先开展了驻涡燃烧室凹腔流动特性研究，重点讨论了联焰板流向长度对凹腔流动特性的影响。随后，发展了与凹腔流场结构匹配的供油方式，并对凹腔内的燃油分布特性开展了相应研究。在凹腔流动特性及燃油分布特性研究的基础上，进一步开展了燃烧性能方面的研究。通过上述研究：（1）获得了凹腔流场特性及燃烧性能随联焰板流向长度的变化规律并总结了相应的流动控制方法。研究发现，当联焰板流向长度较短时（L=5mm），主流向凹腔中大量卷吸，凹腔内的回流区被挤压变小，其中副涡略有增大，而主涡明显变小且涡心位置靠近凹腔前壁。此外，凹腔中轴向速度分布范围变窄，回流流量和湍流强度也随主流的卷吸而增大。此时驻涡燃烧室的点火性能和贫油熄火性能较差，但燃烧效率略高；当联焰板流向长度较长时（L=20mm），主流向凹腔中的卷吸量明显减少，凹腔内回流区变大且速度分布范围变宽，凹腔内的回流流量和湍流强度也相对较小。此时驻涡燃烧室的点火性能和贫油熄火性能较好，而燃烧效率略低。（2）提出并设计了气旋耦合喷嘴作为凹腔的供油方案，并构建了与凹腔流场结构匹配的油雾场。研究发现，当凹腔采用气旋耦合喷嘴供油时，在凹腔内形成扇形油雾，燃油直接供入凹腔回流区外缘的剪切层内，很好地匹配了凹腔内的流场结构，使燃油可以与凹腔空气进行充分掺混。此时，驻涡燃烧室在点火、贫油熄火及燃烧效率等方面均表现良好。当凹腔采用离心喷嘴供油时，在凹腔内形成圆锥形油雾，与凹腔内的流场结构匹配较差，其中一部份燃油直接喷射到凹腔底壁，另一部分燃油直接喷射进凹腔回流区的中心区域，无法与凹腔内新鲜空气进行充分掺混。此时驻涡燃烧室在点火、贫油熄火、燃烧效率等方面均表现较差。
随后开展了主流流动特性、油气掺混特性和燃烧性能等三个方面的研究。研究结果表明联焰板流向长度对主流的流场结构有决定性影响，且这种影响主要是通过联焰板的“截流”作用实现的。研究发现：（1）主流随联焰板流向长度的变化呈现出三种不同的流态，当联焰板流向长度较短时（L=5mm），主流呈现出收缩流态并在联焰板后诱导出较大的低压区，此时主流的燃烧效率在低油气比工况下较高，而在高油气比工况下较低；当联焰板流向长度较长时（L=20mm），主流呈现出扩张流态并在联焰板后诱导出较小的低压区，此 时主流的燃烧效率在低油气比工况下较低，而在高油气比工况下较高；当联焰板流向长度适中时（L=10mm、L=15mm），主流由收缩流态向扩张流态过渡。（2）获得了主流油气掺混特性与气动多点供油装置出流孔参数的变化规律，提出了一种优化主流油气掺混的思路。当主流供油装置的出流孔数量较少时（2个、3个），燃油的穿透深度较大且呈离散分布，此时主流的燃烧效率较低；当主流供油装置的出流孔数量适中时（4个），燃油的穿透深度适中且分布均匀，油气掺混效果最好，此时主流的燃烧效率最高；当主流供油装置的出流孔数量较多时（5个），燃油的穿透深度最小且分布较为集中，油气掺混差，此时主流燃烧效率最低。
在以上研究基础上，本文进一步开展了凹腔与主流油气匹配特性研究，研究结果表明：（1）驻涡燃烧室的燃烧性能受凹腔与主流之间燃油分配比例的影响。在驻涡燃烧室总油气比一定的条件下，其燃烧效率随凹腔油量与主流油量之比的增加而升高，OTDF 随凹腔油量与主流油量之比的增加先减小后增大。（2）驻涡燃烧室的燃烧性能受凹腔与主流供油方式匹配影响。当凹腔和主流分别采用气旋耦合喷嘴和气动多点装置供油时，可以避免凹腔中的燃油直接供入主流影响主流局部油气比，此时，驻涡燃烧室的燃烧效率与OTDF均优于采用离心喷嘴和气动多点供油装置的方案。
综合上述研究结果，本文总结了驻涡燃烧室的油气组织方法，即调整联焰板流向长度获得不同的流场结构，通过创新供油方式构建与流场结构相匹配的燃油分布以获得良好的油气掺混特性，最后调整凹腔与主流之间的油气匹配优化燃烧性能。此外，以高温升燃烧室为对象对本文总结的驻涡燃烧室油气组织方法进行了试验验证。结果表明：当仅凹腔供油且油气比在0.010 ～ 0.015之间时，优化后的驻涡燃烧室燃烧效率高于98.82 %；当凹腔和主流同时供油且油气比在0.037 ～ 0.040之间时，优化后的驻涡燃烧室燃烧效率高于99%；当油气比大于0.03时，优化后的驻涡燃烧室OTDF小于0.20。此外，优化后的驻涡燃烧室贫油熄火油气比降到了0.00283。上述试验结果表明，采用本文所提出的油气组织方法优化的驻涡燃烧室可以满足高温升燃烧室的性能要求。