在实际燃烧系统中,燃烧一般处于湍流状态,对湍流火焰结构的研究,有助于理解湍流与化学反应的相互作用规律,具有重要的科学意义;同时,对湍流火焰形态与尺寸的深入了解,有助于燃烧器的设计与优化,具有重要的工程应用价值。化学发光计算断层成像技术能够获得火焰的三维结构,是极具前景的研究手段。本文以湍流火焰为研究对象,结合理论分析和实验研究,探究了化学发光计算断层成像技术在湍流火焰研究中的应用,系统考察了射流火焰结构随各种因素的变化规律。设计了同轴射流燃烧系统与伴燃射流燃烧系统,获得了高质量、宽范围、不同预混状态的射流火焰,以满足对湍流火焰开展系统研究的需求。设计并搭建了化学发光计算断层成像系统和双组分平面激光诱导荧光测量系统:前者通过引入光纤传像束,对多角度投影信息同时成像,实现了火焰结构的三维重建;后者对燃烧反应的中间组分羟基和甲醛基进行了同步测量,利用二者的像素乘积图像表征了火焰的放热率分布。针对射流火焰的结构特点以及实验系统的成像性能,对化学发光计算断层成像技术进行了优化。利用数值模拟,开展了权系数计算方法、重建算法、终止条件、先验信息、投影角度数量以及松弛因子等因素对重建质量影响的研究,获得了针对火焰结构研究的化学发光计算断层成像技术的最优化配置。利用二维稳态火焰结构简单的特性,开展了验证性实验,进一步评估了化学发光计算断层成像技术在燃烧诊断中的可行性。综合利用理论分析和实验测量等方法,对射流扩散火焰结构进行了系统研究。发现射流扩散火焰的形态与尺寸受到射流雷诺数的显著影响:火焰高度在层流阶段与射流雷诺数成正比,在湍流阶段基本保持不变;火焰宽度在转捩阶段随射流雷诺数迅速增大,在层流阶段和湍流阶段内均基本保持不变;火焰体积在层流阶段与射流雷诺数成正比,在湍流阶段随射流雷诺数逐渐增大,但变化逐渐趋于平缓;火焰结构参数随同轴射流出口速度增大而减小,且变化幅度逐渐减弱;燃料种类不影响火焰结构的变化模式,但会导致具体参数值以及临界雷诺数的变化。针对射流预混火焰,研究了射流雷诺数、射流当量比、伴燃出口速度以及燃料种类等因素对火焰形态与尺寸的影响规律。发现在不同的流动状态下,射流预混火焰结构随射流马赫数的变化模式不同:火焰高度随射流雷诺数整体呈线性变化;火焰宽度随射流雷诺数的增加逐渐增大,在马赫数为1时达到极值;火焰体积随射流雷诺数逐渐增长,但变化幅度逐渐减小;火焰结构参数与当量比成正比变化;伴流出口速度影响中心射流预混火焰结构的完整性,但当伴流出口速度达到一定程度后,火焰结构参数基本保持不变。利用双组分平面激光诱导荧光技术对高湍流度射流预混火焰的放热率分布进行了研究。发现随着射流雷诺数的增加,预热区随之拓宽、变厚,双边结构逐渐消失;放热率分布区域逐渐变宽,但平均厚度基本保持不变,维持在0.5～0.7 mm,说明湍流最小尺度涡只能够进入火焰锋预热区,而无法进入反应放热区。