燃气轮机是一种将热能转换成机械能的动力装置,在工业上有着非常广泛的应用。发展燃气轮机对保障国家国防安全和能源安全、改善能源结构和环境有着重要的战略意义。国家近年来设立重大专项来自主研发燃气轮机,而要发展燃气轮机,基础研究必须先实施。火焰的一些特性包括形态尺寸、振荡特性、污染物排放等是燃气轮机燃烧室基础研究领域所关心的重要问题。本文对这三个方面的内容进行探索,主要通过搭建燃烧实验台进行实验研究,并在部分内容上采用数值计算和理论分析的方法。取得的主要结论如下:在火焰形态尺寸方面,研究了运行参数对火焰的形状和尺寸的影响。发现随着燃料质量流量增大,火焰形状变得更长更宽,火焰长度增大并且与燃料质量流量具有线性关系;随着燃烧室压力增大,火焰形状变短变宽,火焰长度减小并且与压力呈幂函数的关系;随着一次空气质量流量增大,火焰形状变得更短更窄;随着喷嘴出口速度增大,火焰长度和宽度基本保持不变。将运行工况的影响因素结合起来考虑得出,随着一次空燃比增大,火焰长度和火焰宽度总体上减小。数值计算和理论分析方法均对火焰形状和尺寸的变化趋势进行了良好的预测。在火焰振荡特性方面,首先分析了火焰振荡的动力学,并研究了运行参数对火焰振荡特性的影响。发现随着燃料质量流量增大,振荡频率增大,振荡幅值减小;随着燃烧室压力增大,振荡频率减小,振荡幅值均匀地增大;随着一次空气顷量流量增大,振荡频率减小,振荡幅值呈非单调变化;随着喷嘴出口速度增大,振荡频率近似线性地减小,振荡幅值几乎不发生变化。相比于无旋流燃烧的单峰频谱,旋流燃烧的频谱具有多个峰值:并且旋流燃烧的振荡频率对运行工况更加敏感,容易随着运行工况发生变化。其次分析了火焰参数的振荡特性,发现几乎每条火焰参数的频谱都有两个基频;并推断出火焰在宽度方向上的振荡要远强于在长度方向的振荡,所以火焰振荡主要归因于在宽度方向上的振荡。然后对振荡参数进行了空间分析和总体分析,使用变异系数来表征振荡强度。发现火焰边缘处振荡最快且振荡强度最强;在更高的燃料质量流量下,数吊分布逐渐趋于正态分布。在污染物排放方面,首先实验研研究了燃烧室压力对污染物NO及CO排放的影响。发现随着燃烧室压力P的增大,NO减小并正比于P-0.53 这主要归因于总体火焰停留时间的影响,NO近似止比于总体停留时间;CO减小并正比于PP-0.35。然后数值研究了反应机理对高压NO排放计算的影响及快速型NO的计算。发现GRI3.0机理的简化机理Skeletal mech在更短的计算时间内(GRI3.0的一半)很好地再现了 GRI3.0对NO排放的预测;而在相同的计算时间内,GRI3.0 modified 比GR13.0的预测准确度更高。加法和减法用于计算快速型NO的准确性得到了验证。NCN子机理的快速型NO生成率高于HCN子机理,前者的出口浓度比后者高一倍。