预混燃烧效率高并且便于控制火焰最高温度从而有效地抑制NO_x,因此在先进燃烧器中被广泛应用。多数实用燃烧装置的火焰建立在具有射流剪切层结构的流场中。射流剪切层通常包含大尺度拟序结构,导致速度低频脉动,一方面增大火焰皱褶,强化燃烧,另一方面使火焰前锋低频大幅抖动和强烈拉伸,易导致燃烧不稳定和不完全。从湍流预混火焰的机理考虑,设法增加剪切层高频小尺度脉动的成分有利于在强化燃烧的同时改善火焰稳定性。利用喷口上游网格产生的各向同性小尺度湍流影响剪切层并改善燃烧的被动控制方法在实际应用中简便易行,可能衍生出新的预混燃烧技术。本文用理论分析和实验相结合的方法研究网格湍流对射流剪切层以及相关火焰结构的影响,从而深化对其机理的认识,为改善燃烧器设计提供概念和基础数据的支持。 首先,在冷态流动中完成了利用网格湍流控制射流剪切层的实验研究。结果表明网格湍流使剪切层的湍流强度和尺度明显降低,抑制了低频速度脉动,同时增加了湍动能在小尺度脉动上的分配,使湍流更趋于各向同性。这意味着网格湍流能有效抑制剪切层中的大涡和拟序结构。实验中还发现同样位于喷口上游的火焰稳定环也能起到降低剪切层湍流强度的作用。从脉动速度的频谱和不稳定性分析的角度,对网格以及火焰稳定环改变剪切层结构的机理进行了研究,发现火焰稳定环通过尾迹涡脱落对剪切层施加周期性的激励模式,从而改变了剪切层中的不稳定性分布,使得流场更加稳定。网格湍流的高频小尺度强制扰动可以抑制射流初始段多种尺度的不稳定性,进而抑制了涡配对过程,影响了拟序结构往下游的发展,同时网格湍流对火焰稳定环表面的涡脱落也有抑制作用。 然后,在理解冷态流场的基础上建立了受剪切层控制的大雷诺数预混锥形火焰,研究了网格湍流以及所引起的剪切层改变对预混火焰结构的影响。分析和实验结果显示,网格湍流对预混火焰结构的影响主要体现在两方面:一方面网格湍流通过改变当地射流剪切层的流动特性抑制了火焰皱褶低频运动;另一方面通过在火焰根部施加强制扰动生成了皱褶从而强化了燃烧。这说明网格湍流能够同时产生使剪切层中预混火焰强化和稳定两方面的效应。