为了满足高推重比航空发动机的性能要求，先进的燃烧器追求更高的温度升高和更大的热负荷，这进一步增加了整体燃料-空气比（FAR）。因此，高FAR燃烧器的开发已成为航空发动机设计的关键方面。然而，随着FAR的增加，传统燃烧器在部分功率下难以同时防止贫燃熄火（LBO）并在最大功率下抑制烟雾排放[1]。为了克服这些限制，先进的燃烧器越来越多地采用燃料分级和燃烧分区技术，典型的结构包括双环形预混旋流器（TAPS）[2]和贫燃燃烧器[3]。
在中心级燃烧器中，对更高FAR的需求显著增加了参与燃烧的气流。通过旋流器的气流增加降低了当量比，提高了主燃烧区的速度，从而缩小了LBO的裕度。此外，LBO过程具有高度非线性和动态性，涉及空气-燃料混合、液滴雾化、蒸发和喷雾燃烧等多相相互作用，这对机理理解和预测提出了重大挑战[4]。
关于航空发动机燃烧器中LBO的研究已经进行了数十年。早期研究主要依赖实验数据和理论分析来建立半经验模型以预测LBO极限。经典模型如完美搅拌反应器（PSR）模型[5,6]和特征时间（CT）模型[7,8]建立了基本的预测框架，而Ballal和Lefebvre[9,10]通过纳入燃烧器几何形状、入口条件、液滴大小和燃料性质进一步改进了PSR模型。尽管这些模型有效，但它们无法捕捉到接近LBO条件下的火焰结构、排放物和流动动力学的复杂演变。
随着对LBO现象理解的深入，研究转向了火焰动力学和多物理场相互作用的综合分析。大涡模拟（LES）已成为关键工具，能够详细研究蒸发-熄火耦合[11]、LBO极限预测[12,13]、燃料蒸发和燃烧速率的表征[14,15]以及瞬态熄火事件[16]。尽管LES能够捕捉复杂的流动-火焰动力学，但它仍然对边界条件和物理不确定性敏感，这突显了进行火焰演变和前驱体行为实验研究的必要性[17,18]。
非侵入式诊断技术的快速发展进一步推进了对LBO机制的理解。使用粒子图像测速（PIV）和平面激光诱导荧光（PLIF）[19][20][21]的同时测量加深了对流动-火焰相互作用的了解。然而，大多数这些研究集中在气体燃料上，而实际的航空发动机应用主要涉及液体喷雾。在这种情况下，LBO受到液滴雾化、蒸发和热传递延迟的复杂影响，使其特别具有挑战性。Zhao等人[22,23]使用适当的正交分解（POD）和CH*化学发光技术研究了多旋流级燃烧器中的煤油喷雾火焰，并强调了雾化质量和湍流混合的关键作用。Driscoll和Dhanuka[24,25]研究了TAPS燃烧器，探讨了旋流对火焰稳定性的影响，包括旋流诱导的流体动力不稳定性及其与火焰动力学的耦合。Hampp等人[26]实验比较了不同燃料在紧凑型航空发动机燃烧器中的LBO极限，并发现蒸发-混合过程是控制LBO敏感性的关键因素。Wang等人[27]研究了预涂层和非预涂层空气喷射器对双旋流燃烧器中LBO的影响。
在典型的LBO实验中，燃料流量以线性或阶梯式逐渐减少[28]，使系统向LBO边界靠近。随着FAR的降低，系统进入接近LBO的阶段，其特征是火焰不稳定、热释放率和排放物的波动加剧以及对外部扰动的敏感性增强[29,30]。这一阶段通常被视为LBO的前兆。因此，系统地研究从稳定燃烧到接近LBO的转变对于理解性能变化、LBO机制和早期预警指标至关重要。Yi等人[31][32][33]在稳定和接近LBO条件下对三环形研究旋流器（TARS）燃烧器进行了比较研究，使用选定的指标量化了前驱特征，并提出了一种主动LBO控制策略。Muruganandam和Nair[34][35][36]使用声学和光学诊断技术研究了液体燃料旋流燃烧器，应用小波变换和阈值方法验证了双重燃料重新分配在扩大LBO裕度方面的有效性。Rock等人[37,38]研究了替代燃料的物理化学性质对双旋流燃烧器中LBO极限、接近LBO动态和再点火的影响，并提出了描述从稳定性到火焰扰动最终LBO动态转变的框架。Zhang等人[39]使用OH*化学发光和POD技术比较了中心级燃烧器在稳定和接近LBO条件下的火焰结构，识别了早期LBO特征，如轴向振荡和火焰脱离。然而，关于从稳定燃烧到接近LBO的转变的系统研究——涵盖火焰演变、燃料雾化、燃烧性能和排放物——仍然很少，尤其是关于入口温度效应的研究。鉴于其对LBO预测和稳定性设计的重要性，迫切需要进一步的机理研究和特征识别。
本研究探讨了在操作条件从稳定燃烧转变为接近LBO条件时，喷雾、蒸发和燃烧过程的耦合演变。论文的结构如下：首先介绍燃烧器几何形状、实验装置和诊断设置。接下来分析LBO极限、喷雾直径（SMD）和喷雾行为。随后，研究了在不同入口温度和FAR条件下的燃料液滴寿命和化学反应时间。然后分析了燃烧性能，重点关注接近LBO条件下的CO_2转化率、CO生成率和归一化PMT信号。最后，基于高速成像展示了接近LBO过程中的火焰结构和火焰动态变化。
