航发燃烧室需要在宽广的工作范围内维持稳定的燃烧状态,燃烧室稳定工作范围受到燃烧效率、燃烧室出口温度、贫油熄火、总压损失等限制。其中燃烧室的贫油熄火性能是燃烧室最受关注的性能之一,无论是经常需要做大机动飞行的军机,还是对污染排放有严格要求的民机,均需要在航发燃烧室设计过程中反复进行贫熄边界预估-结果分析-燃烧室结构改进,因此发展一套高精度、低成本的航发燃烧室贫熄预测模型,对于缩短燃烧室设计周期,提升燃烧室贫熄性能,有重要意义。本文对三头部扇形模型燃烧室在不同工况下的贫油熄火性能进行了实验和数值模拟研究,获得了了航发燃烧室来流温度、压力、流量变化对贫熄性能的影响规律,并初步探究了来流条件变化影响燃烧室贫熄性能的原因。实验结果表明:来流温度和压力的升高有利于提升贫熄性能,而来流流量的升高会使贫熄性能恶化。通过数值模拟可以进一步发现,燃烧室来流条件变化会影响来流混气和燃烧产物之间的热平衡、燃油液滴的蒸发速率以及化学反应速率,从而对贫熄边界产生影响。基于对熄火本质机理的认识,本文提出了将数值模拟和Damk?hler(Da)数模型相结合的一系列贫油熄火预测复合方法。通过数值模拟中OH基的分布在不同工况下获得流场中的关键反应区,将流动和化学反应时间尺度分别用于表征关键反应区中的流动和化学反应特征,Da数为1表明燃烧到达贫熄临界状态。在建立本文提出的贫熄预测系列方法的过程中获得的主要结论简述如下:1)单反应器预测方法将关键反应区简化为单个均匀搅拌反应器。基于燃烧室来流条件在数值模拟流场中获得关键反应区,在数值模拟中通过惰性粒子追踪方法获得流动时间尺度;根据关键反应区中燃油浓度、温度、压力信息,在均匀搅拌反应器模型中计算获得化学反应时间尺度;Da数为流动时间尺度和化学时间尺度的比值,用于描述当前燃烧状态和贫熄的接近程度。本文将单反应器预测方法用于旋流稳燃火焰和钝体稳燃火焰,在近贫熄工况下,计算获得的Da数和理论贫熄临界值1符合良好,随着燃油流量的增大Da数迅速增大,表明该方法可以用于不同结构燃烧室在不同来流工况下的贫熄预测。2)考虑到燃油喷嘴雾化特性会对燃烧室贫熄性能产生较大的影响,本研究针对单、双油路离心喷嘴开展了大量雾化实验,获得了不同工况下燃烧室中燃油粒径分布情况,通过Rosin-Rammler模型在数值模拟中对不同的雾化情况进行表征,采用分离关键反应区入口面的方法优化了特征时间尺度的计算。在设计工况下,旋流稳燃火焰Da数增大至20.3,提升了该方法的预测精度,拓宽了方法的适用范围。3)鉴于燃烧室内温度及组分分布不均匀会对贫熄预测精度产生影响,本文建立了网格化反应区的多反应器贫熄预测方法,将反应区分割为大小一致的子区域,并在每个子区域应用均匀搅拌反应器模型进行局部化学反应时间尺度的计算,通过对局部化学反应时间尺度求平均值获得全局化学反应时间尺度。全局流动时间尺度采用惰性离子追踪方法获得,局部流动时间尺度通过子区域内特征长度和特征速度的比值获得。在近贫熄工况下全局Da数接近理论临界值1,在设计工况下全局Da数约为11,表明该方法能够精确区分贫熄工况和稳燃工况。局部Da数定义为局部流动时间尺度和化学反应时间尺度的比值,局部Da数计算结果表明:在近贫熄工况下,套筒出口附近燃油浓度和温度水平相对较高,局部Da数较大,表明该区域对不利稳燃的因素具有较强抗性。4)通过网格化反应区获得的局部Da数场将流场中火焰的拉伸应变作为不利稳燃的因素之一,为了更为详细地刻画流场中火焰由于拉伸应变而发生削弱的情况,本文建立了一种基于局部火焰拉伸应变率的Da数场分析方法。在数值模拟中,湍流燃烧场被模化为层流对冲火焰的集合,而对冲火焰反应区的厚度随应变率增大而减小,根据二者之间存在的规律,可将均匀搅拌反应器模型中的停留时间项与对冲火焰应变率建立对应关系,从而实现在较低计算成本下获得流场中每个位置的熄火临界应变率。局部Da数定义为实际应变率与熄火临界应变率比值,该数值越大,表明火焰受到的拉伸应变越强,燃烧反应偏离平衡,容易发生局部熄火。Da数场结果计算表明近贫熄工况下套筒出口附近尽管燃料浓度和温度水平相对较高,但是火焰受到的拉伸应变较强,仍然易于发生局部熄火,合理组织流动以降低该区域的火焰拉伸应变率,可能是提升燃烧室贫熄性能的关键。