贫燃预混燃烧技术不仅提高燃烧室的燃烧效率,还能有效降低NOx排放。在实际应用中发现,燃烧过程极易发生回火、热声震荡等不稳定性现象,是阻碍该技术发展的一大瓶颈,因此基于宏观火焰形态开展湍流环境下贫燃旋流燃烧特性的基础研究对燃烧不稳定机理研究具有深远的指导性意义。因此本文紧紧围绕贫燃预混旋流燃烧,针对不同火焰形态变化、不同流场工况及之间的相互作用进行实验研究,并在实验基础上对贫燃预混旋流燃烧室建立大涡模拟数值模型,聚焦分析不同热边界条件和亚网格燃烧模型的适用性能,并进行验证。相比实验,大涡模拟方法在湍流预混燃烧中可以预测到复杂的流场结构、动态燃烧过程、湍流涡旋结构。具体研究内容包括下几项:(1)通过OH~*自发光成像系统拍摄不同旋流数和当量比下火焰形态,结果表明,随着当量比的降低,火焰经历了紧缩型火焰向M型火焰转变,不同旋流数的临界的过渡性火焰都发生在当量比为0.7附近,过渡态火焰喷嘴处OH~*呈现大幅度不规则振荡。(2)利用PIV和OH~*自发光的同步拍摄分析紧缩型、M型及其过渡态流场结构对燃烧过程的影响,并为数值模型建立提供实验依据。通过本征正交分解方法(POD)重构三维涡旋流场发现PVC对过渡态火焰流场的影响起主导作用,是发生不稳定燃烧的重要因素。(3)系统地分析燃烧室内部的火焰和流场相互作用,判定湍流预混燃烧模态,验证燃烧模型的合理性。结果表明,当量比0.9-0.6范围内,火焰均位于薄反应区,燃烧流场满足增厚火焰面模型假设,在此基础上建立了FR/ED和TF两种燃烧模型的大涡模拟数值模型。(4)与实验对比发现,大涡模拟已经能够准确预测冷态流场结构。为了考察热边界条件对火焰结构及流场预测精度的影响,将定壁温和绝热两种热边界条件应用到贫燃预混燃烧大涡模拟计算中。通过与实验数据对比发现,绝热壁面得到的火焰结构和流场速度及脉动速度吻合较好。(5)为了验证不同燃烧模型用于描述复杂结构旋流燃烧流场的适用性,分别采用这两种亚网格燃烧模型对燃烧室内旋流预混火焰进行了大涡模拟研究,实验与模拟结果对比分析表明,计算与实验结果吻合良好,这两种模型预测得到的流场结构相似。但FRED模型预测的温度明显偏高,TF模型则更优一些,TF模型取得了与实验数据更相符的速度、温度的分布,旋流预混燃烧模拟准确性得到提升。