为了提高航空发动机的空气动力学和热力学性能，先进燃烧器中的燃油-空气比（FAR）持续增加。然而，这一趋势给传统燃烧器带来了挑战，因为它们难以在部分功率条件下同时解决稀燃极限（LBO）问题和在最大功率条件下的排气烟雾问题[1]，[2]。因此，大多数先进燃烧器采用了分段和分区燃烧方案，通过分阶段供给燃料来形成空间上不同的燃烧区域，从而满足广泛的运行范围性能要求。为了进一步增强旋流组织和燃烧稳定性，先进燃烧器的穹顶区域通常配备有多个旋流器。典型的中心分段燃烧器配置包括双环形预混旋流器（TAPS）[3]和稀燃燃烧器[4]。
中心分段燃烧器的主要目标是在部分功率和最大功率条件下都实现高性能。然而，更高的FAR需求增加了总体气流，导致穹顶区域的当量比降低和空气速度增加，因此其LBO裕度通常比传统设计更窄[5]，[6]。此外，LBO过程本身是不稳定的，并涉及与稳定燃烧不同的复杂物理化学相互作用。在接近LBO操作期间，燃料雾化质量下降会损害气液混合效果[7]，削弱化学反应的持续性，并增加了研究中心分段燃烧器中LBO机制的难度。
尽管存在这些挑战，中心分段燃烧器通过精确控制燃油-空气的分阶段供给和分布，实现了低排放、高燃烧效率和宽操作范围的平衡。这种方法符合现代航空发动机对减少排放和提高燃油经济性的要求。因此，这些燃烧器的设计原理和燃烧特性仍然是重要的研究课题。对于TAPS燃烧器，Dhanuka等人[8]，[9]分析了流场与火焰行为之间的耦合关系，阐明了流动特征如何影响火焰稳定性。他们后来在最大功率条件下对火焰结构和稳定机制进行了详细研究[10]，[11]。对于稀燃燃烧器，早期研究探讨了引燃阶段旋流强度对点火、喷雾形态、流动结构、燃料分布和烟尘形成的影响[12]，[13]，[14]。后续研究应用了非侵入式诊断技术，如OH平面激光诱导荧光（OH-PLIF）和过滤瑞利散射（FRS）来研究出口流场、湍流和温度分布，揭示了温度波动与进动涡核（PVC）动态之间的内在联系[15]，[16]，[17]。在欧盟资助的“Towards Lean Combustion”项目中，进一步研究了在广泛运行条件下的烟尘形成机制[18]，并分析了叶片角度对NOx形成的影响[19]。总体而言，分段燃烧已成为先进航空发动机燃烧器的发展趋势。
尽管分段燃烧有效拓宽了现代燃烧器的运行范围，但在部分功率条件下保持稳定性仍然是一个关键挑战。接近LBO极限时，燃料雾化、混合、点火和化学反应之间的耦合变得越来越脆弱，使得LBO成为最难控制的现象之一[20]。传统的二元判据无法充分描述燃烧极限期间的过渡行为，而半经验性的LBO预测相关性往往缺乏普遍性，并且在应用于不同燃烧器配置时准确性较差[21]，[22]。因此，理解LBO过程的动态演变已成为主要的研究焦点。当前的研究主要依赖于实验和数值方法。其中，大涡模拟（LES）被广泛用于研究LBO期间的火焰动态[23]，[24]，[25]。然而，由于将LES应用于发动机规模系统存在相当大的不确定性，实验研究对于理解LBO行为仍然是不可或缺的。
关于气体燃料燃烧器中的LBO现象已经进行了大量研究，而液体燃料系统的研究仍然有限。De等人[26]分析了随着当量比降低的火焰转变行为，并提出了复发量化分析来捕捉LBO前兆。Rock等人[27]，[28]使用Referee燃烧器研究了双稳态火焰形状与LBO附近流体力学不稳定性之间的关系，重点关注燃料效应和涡流-喷雾耦合机制。Zhao等人[29]，[30]应用了高速成像、粒子图像测速（PIV）和平面Mie散射（PMie），结合适当的正交分解（POD）方法，研究了燃料减少率和高度对LBO极限、火焰演变和动态特性的影响，识别了燃烧极限附近喷雾火焰行为的前兆特征。
在典型的LBO实验中，点火在高FAR下进行，随后逐渐减少燃料流量以观察接近LBO极限时的动态燃烧行为。当接近极限时，火焰变得越来越不稳定，表现出火焰振荡、分离或局部熄灭；即使是很小的扰动也可能引发全局燃烧极限。由于这一阶段的持续时间短且敏感度高，捕捉准确的燃烧特性具有挑战性。因此，专注于从稳定状态到接近LBO状态转变的实验对于理解火焰结构和燃烧性能的演变至关重要。Thiruchengode[31]和Nair等人[32]，[33]研究了在接近LBO条件下旋流稳定甲烷-空气燃烧器的火焰动态和光学特性，提出了一种基于OH化学发光信号的双阈值方法来检测LBO。在此基础上，Muruganandam[34]和Nair[35]，[36]研究了Jet-A燃料旋流燃烧器，使用OH化学发光和离子传感来分析局部熄灭-重新点火现象，并评估燃料分布控制对抑制燃烧极限的影响。Yi等人[37]，[38]在部分预混的三环旋流器（TARS）燃烧器中研究了OH化学发光动态，无论是在稳定状态还是接近LBO条件下，通过光谱和统计分析识别出两个前兆指标——增强的低频振荡和增加的热释放均匀性。Li等人[39]在丙烷燃料TARS燃烧器中开发了一种闭环反馈控制系统，使用可调谐二极管激光（TDL）传感器，并利用低频温度波动作为控制变量来防止瞬态加燃料时的燃烧极限。Zhang等人[40]使用OH化学发光和POD分析研究了液体燃料中心分段燃烧器的火焰结构，揭示了LBO早期阶段的火焰振荡和分离特征。Bompelly等人[41]比较了稀燃直喷（LDI）燃烧器中的OH和CH化学发光信号，表明CH信号在接近LBO条件下的检测燃烧特性方面具有更高的灵敏度。
LBO附近的火焰稳定性和燃烧特性与引燃阶段配置密切相关。引燃阶段几何形状的变化可以改变流场、喷雾模式和整体燃烧性能[42]。Li等人[43]研究了旋流方向对主燃烧区和混合区流动及燃烧特性的影响，确定了受其影响的关键区域。Han等人[44]分析了引燃阶段发散角度对中心分段燃烧器接近LBO时火焰动态的影响，而Wang等人[45]研究了旋流方向匹配对LBO性能的影响。
许多研究探讨了旋流方向对分段或稀燃燃烧器中火焰稳定或LBO行为的影响；然而，这些研究往往局限于孤立方面，如流动空气动力学、喷雾特性、火焰形态或排放。一个综合且集成的分析，将旋流诱导的空气动力学、燃料雾化、火焰结构演变、燃烧性能和接近LBO条件下的排放行为联系起来仍然很少，特别是在考虑旋流方向匹配和入口温度的综合效应时。
在这项研究中，使用中心分段燃烧器系统地研究了引燃阶段旋流方向对LBO特性、燃料雾化和喷雾分布、接近LBO时的燃烧行为以及火焰结构演变的影响。该研究整合了四个互补方面。首先，在不同入口条件下比较了LBO极限。其次，使用相位多普勒粒子测速（PDPA）和PMie量化了每种旋流配置的SMD和喷雾形态。第三，在不同的入口温度和FAR下测量并分析了接近LBO时的燃烧效率、出口温度、CO2转化率和CO排放。最后，使用高速成像和CH滤光PMT测量在同一温度-FAR矩阵下表征了火焰结构演变和燃烧强度变化。
