提高燃烧室出口温度是提升燃气轮机效率的有效途径之一,但提高燃烧室出口温度将会大幅增加NO_x排放。为缓和燃烧室出口温度与NO_x排放之间的矛盾,燃料轴向分级形式的燃烧室设计方案逐渐受到关注并在高等级（1975 K）燃机中具有应用潜力。为评估燃料轴向分级燃烧降低NO_x排放的潜力、探究影响NO_x和CO排放性能的关键因素并了解其二级燃烧区的火焰特征,本文针对燃料轴向分级燃烧技术开展了一系列的模拟和实验研究,主要研究内容如下:首先,基于二级反应物与烟气的完全掺混和不完全掺混假设,分别构建了简化的燃料轴向分级燃烧化学反应器网络模型,并对燃料分配、停留时间分配、二级掺混不均匀性、壁面热损失、进气温度和压力等因素进行了参数化研究。针对燃机工况下的模拟计算表明,当燃烧室出口温度达到1975 K时,单级燃烧模式的NO_x排放水平将会达到60 ppm@15%O₂左右。而理想掺混条件下轴向分级燃烧方案可将NO_x排放降低至16 ppm@15%O₂左右（对应二级燃料比例为20%）,因此轴向分级燃烧方案应用于高等级燃机时具有明显的NO_x减排潜力。提高二级燃料比例或缩短二级燃烧区停留时间,均可降低NO_x排放量。其中,增加二级燃料比例对NO_x的减排效果最为明显,当二级燃料比例达到10%时,在完全掺混条件下即可实现约40%的NO_x减排量。但是,当二级反应物与烟气发生不完全掺混时,分级燃烧的排放性能会发生恶化,极端条件下甚至会导致分级燃烧的NO_x排放量超过未分级模式。在模拟验证了燃料轴向分级燃烧降低NO_x排放可行性的基础上,进一步搭建了模型燃烧室,并在常压条件下研究了燃料分配、一、二级当量比以及射流速度对NO_x和CO排放特性的影响。实验结果显示,由于二级燃烧区存在局部掺混不均匀,分级燃烧室降低NO_x排放的效果将会因燃烧室出口温度水平而异。当燃烧室出口温度水平为1975 K时,模型燃烧室单级模式下的NO_x排放为8ppm@15%O₂左右,此时采用轴向分级燃烧方式最高可实现约40%的NO_x降低量。但当燃烧室出口温度水平较低时,分级燃烧的NO_x减排能力会逐渐减弱甚至恶化。此外,实验中还发现二级NO_x增量与二级温升之间呈线性而非指数增长关系,说明二级燃烧区的高温低氧氛围和富燃射流条件对NO_x生成存在一定的抑制作用。对二级喷嘴射流速度影响的研究表明,在保证二级温升相同的条件下增加二级射流速度,可在一定程度上降低二级NO_x排放量,且二级射流当量比越高,提高射流速度所带来的NO_x降幅越大。基于上述模型燃烧室,进一步开展了光学测量研究。测量结果显示当二级射流当量比大于1时,进一步提高二级当量比或增加一级当量比,均会导致OH*强度的下降,这可用来解释Lean-Rich构型燃烧室在高燃烧室出口温度条件下的低NO_x排放优势。对火焰抬升高度的分析表明,火焰抬升高度随两级当量比的增加均有不同程度的下降。当射流当量比超过1时,火焰会紧贴射流喷口,从而引发喷嘴或壁面超温的风险。此外,由于OH自由基在后火焰区的积累,OH-PLIF信号将无法准确反映局部热释放区的分布。而一维火焰模拟分析很好地解释了上述实验现象,并表明火焰内部存在潜在的NO再燃机制,从而进一步完善了LeanRich构型燃烧室的低NO_x排放机制。由于实验中获取的流场信息有限,采用数值模拟方法对轴向分级燃烧中典型的交叉射流火焰进行了模拟研究。结果对比表明,RANS模拟不能准确预测雷诺应力项的大小,从而导致其对标量场分布的预测出现较大偏差。本论文选用解析度更高的尺度自适应模拟（Scale Adaptive Simulation,SAS）开展了交叉射流火焰的模拟验证工作。冷态模拟结果表明,尺度自适应模拟可以准确预测交叉射流的速度和雷诺应力场分布,进而使得其对标量场分布的预测结果有了明显的提升。采用尺度自适应模拟耦合涡耗散模型的热态模拟验证结果表明,该方法在不同工况下均可给出准确的速度场预测,并可反映射流中心迹线上的标量对数衰减特征。热态模拟结果显示均匀掺混的富燃料射流存在一定程度的贴壁燃烧现象,该现象会导致近喷嘴处壁面温度的升高并带来喷嘴或壁面超温的风险。为解决这一问题,本论文提出了非均匀燃料分布的二级喷嘴设计方案,模拟结果显示该方案可有效增加二级射流火焰抬升,并抑制二级燃烧区背风侧局部高温区的形成,从而改善二级喷嘴的燃烧性能。