现代燃气轮机广泛采用贫预混燃烧技术以降低氮氧化物排放,但这种燃烧方式容易导致燃烧振荡,带来噪音及燃烧室内的压力脉动,从而造成燃烧室结构的损坏。燃烧振荡的发生受到燃料与空气混合过程的重要影响,尽管前人已对此做了一些研究,但其机理尚不清楚。为此,本论文通过在旋流预混模型燃烧室的一系列实验来研究燃料与空气的混合过程对燃烧稳定性的影响,并通过对该模型燃烧室内的流动与混合过程的三维冷态数值模拟来辅助分析实验结果。混合时间是表征混合过程的一个重要变量,实验中通过改变预混长度及空气流速来改变混合时间。在确定的预混长度及空气流速下,通过改变当量比的多组实验来获得燃烧稳定性及燃烧振荡模态的信息,作为分析混合时间对燃烧稳定性影响的依据。实验中使用的燃料为天然气,空气流常温供应,燃烧室出口为大气环境。数值模拟的系列工况同样以预混长度、空气流速及当量比为变量,计算旋流流动特征及燃料与空气的混合过程。实验结果表明燃烧振荡以轴向模态发生,振荡频率在500 Hz左右。燃烧振荡的发生与否受到当量比、空气流速及预混长度的影响。在本燃烧室中贫燃侧燃烧振荡仅发生于当量比大于0.8的情况下。在不同的预混长度下,发生燃烧振荡的空气流速范围有明显差异,预混长度较大时燃烧振荡发生在较高流速下,而预混长度较小时燃烧振荡发生在较低流速下,这一分歧可由混合时间来统一:只有当混合时间处于一定区间内时,燃烧振荡才有可能发生;在此区间外,燃烧保持稳定。这一规律表明混合时间对旋流预混燃烧稳定性有重要影响,通过合理的结构设计来避免或减弱燃烧振荡是可能的。实验研究中采用空气平均流速代替燃料流速来近似计算混合时间,数值计算的结果表明近似计算得到的混合时间比实际情况略偏小,但近似计算的误差对发生燃烧振荡的混合时间区间长度影响较小。燃料与空气的混合效果对燃烧特性有重要影响,数值模拟的结果表明,在相同的空气流速及当量比下,预混长度在一定范围内增大时对混合效果有明显改善,而当预混长度达到一定大小后则混合效果基本稳定;保持当量比与预混长度不变,则空气流速对混合效果的影响很小。本文的研究揭示了旋流预混燃烧室内燃料与空气的混合过程及其对燃烧稳定性的影响,对工业燃烧器的设计有参考价值,也为进一步的学术研究打下了基础。