燃烧室作为航空发动机的三大部件之一,被称为发动机的核心,宽稳定工作边界和高燃烧效率是燃烧室设计的主要目标。随着航空事业的发展,航空发动机推重比不断增大,燃烧室油气比、头部进气量相应增大,这使得燃烧室稳定工作边界不足,燃烧室稳定工作边界不足问题制约着我国航空发动机的发展,传统燃烧室头部设计已经不能满足需求,目前主要通过设计新型燃烧室来拓宽稳定工作边界,新型燃烧室多采用燃油分级、燃烧分区的分区分级组合式空气雾化喷嘴,预燃级采用富油扩散燃烧来提高点熄火性能、拓宽稳定工作边界,主燃级采用贫油预混燃烧来增强油气掺混、提高燃烧效率,但是该类型喷嘴结构复杂、分部件存在强耦合作用,同时头部进气量增大使得燃烧室头部耦合作用增强,流场、喷雾场组织方式复杂、缺乏系统性研究。此外,随着发动机推力的增大,燃油调节范围增大,预燃级供油喷嘴广泛采用双油路离心喷嘴,双路液膜存在强耦合作用。流场、喷雾场结构在很大程度上直接决定了燃烧室性能,目前急需对航空发动机燃油喷嘴耦合作用机制、流场、喷雾场组织方式展开系统性研究,为燃烧室的设计、性能优化提供支撑。为深入认识航空发动机燃油喷嘴耦合作用机制、流场、喷雾场组织方式,本文采用化整为零的方法将分区分级组合式空气雾化喷嘴拆分为基元喷嘴、预燃级和主燃级分别展开研究、分析,首先对常用作预燃级基元喷嘴的单油路离心喷嘴、双油路离心喷嘴雾化特性进行了实验研究,进一步对分区分级组合式空气雾化喷嘴分部件耦合作用（预燃级分部件耦合作用、主、预燃级耦合作用）、头部耦合作用进行了实验和数值模拟研究。本文工作内容主要分为以下几部分:单油路离心喷嘴液膜破碎机制研究;双油路离心喷嘴流量与雾化特性调试优化方法研究;分区分级组合式空气雾化喷嘴分部件耦合作用研究;分区分级组合式空气雾化喷嘴头部耦合作用研究。研究内容及主要结论如下:（1）单油路离心喷嘴液膜破碎机制研究:对不同供油压力下单油路离心喷嘴液膜形态、雾化特性（液膜锥角、粒径、液膜破碎距离）、液膜破碎机制开展了实验研究,建立了离心喷嘴初始液膜形态、雾化特性与液膜破碎机制的对应关系。研究结果表明:随着供油压力的增大,“洋葱”形液膜、“郁金香”形液膜、波动锥形液膜、穿孔锥形液膜、充分发展的锥形液膜依次出现,粒径逐渐减小,液膜锥角先增大后减小,液膜破碎频率增大;“洋葱”形液膜破碎由“撞击”破碎、穿孔破碎模式主导,液膜破碎距离随供油压力的增大而增大;“郁金香”形液膜、波动锥形液膜破碎由表面波破碎模式主导,液膜破碎距离随供油压力的增大先减小后保持稳定,表面波速度随供油压力的增大而增大;穿孔锥形液膜破碎由湍动能与表面波共同作用下的穿孔破碎模式主导,液膜破碎距离随供油压力的增大而减小;充分发展的锥形液膜破碎由“湍动能”破碎模式主导,液膜破碎距离较小且随供油压力变化较小。（2）双油路离心喷嘴流量与雾化特性调试优化方法研究:对双油路离心喷嘴主、副油路单独供油时流量、锥角、粒径以及双路同时供油时液膜耦合作用进行了结构参数化研究,阐明了液膜耦合作用机制,提出了并定义了二次分离压力、主油路锥角收缩幅度,在此基础上形成了双油路离心喷嘴性能调试优化方法,并在工程应用过程中对调试优化方法进行了进一步补充。研究结果表明:主油路流量对主喷口直径、主收缩段角度、主旋流槽深度、主旋流槽旋流角度比较敏感;主油路锥角对主喷口倒圆、主喷口直径比较敏感;主油路粒径对主喷口直径、主收缩段角度比较敏感;副油路流量对副喷口直径、副旋流槽深度、副喷口长度比较敏感;副油路锥角对副喷口直径、副喷口长度、副旋流槽深度比较敏感;副油路粒径对副喷口直径、副旋流槽深度比较敏感;当副喷口直径很小时,可通过副喷口扩张角度来调节锥角,但是副喷口扩张角度过大会诱发液膜振荡现象,可通过控制旋流槽深度或副喷口扩张角度来避免液膜振荡现象的出现;双路同时供油时,供油压力增大过程中主、副油膜会出现分离-融合-二次分离三个阶段;小油压下液膜融合使得粒径增大,液膜融合后降低供油压力液膜分离存在滞后性;双油路离心喷嘴液膜融合压力、二次分离压力及二次分离后主油路锥角收缩幅度主要受主、副油路流量（惯性）、锥角的影响。总的来说,在双油路离心喷嘴设计、性能优化过程中应合理分配两路燃油流量、锥角,尽可能减小SMD,削弱两路燃油耦合作用,使得二次分离压力小于主油路最小工作压力、主油路锥角收缩幅度小于10°,避免液膜振荡现象的出现,同时也要考虑加工、主副油路结构配合等因素。（3）分区分级组合式空气雾化喷嘴分部件耦合作用研究:针对预燃级采用文氏管预膜空气雾化喷嘴、主燃级采用横向射流空气雾化喷嘴的分区分级组合式空气雾化喷嘴分部件耦合作用开展了结构参数化研究,阐明了该类型分区分级组合式空气雾化喷嘴分部件流场、喷雾场耦合作用机制,提出了文氏管有效性、套筒有效性概念,深入认识了该类型燃油喷嘴流场、喷雾场组织方式。研究结果表明:预燃级文氏管预膜空气雾化喷嘴分部件存在强耦合作用,斜切孔旋流器改善了离心喷嘴雾化效果,增强了油气掺混,大部分液滴跟随旋流空气紧贴文氏管扩张壁面向下游流动,选择合适的文氏管喉道尺寸、扩张角度可有效控制文氏管出口燃油锥角,文氏管出口存在液带和大液滴,雾化效果较差;第二级反向旋流空气改善了文氏管下游雾化质量,但无法有效控制燃油锥角,导致文氏管失效,选择合适的套筒长度和套筒扩张角度可有效控制套筒下游燃油锥角,套筒出口依然存在部分液带和大液滴,但是相对文氏管出口雾化效果较好;分区分级组合式空气雾化喷嘴主、预燃级存在强耦合作用,主燃级旋流空气的强卷吸作用使得预燃级部分气流与主燃级气流混合向下游发展,预燃级部分燃油跟随旋流空气进入主燃区,进一步由主燃级旋流空气输送到点火器附近,主燃级旋流空气的存在使得燃油分布面积、燃油锥角明显增大,预燃级单独供油时主、预燃级耦合作用下燃油锥角是分区分级组合式空气雾化喷嘴的关键性能参数;主燃级叶片与预燃级外级叶片旋向相同、主燃级旋流更强时,存在最佳主燃级旋流叶片角度使得燃油锥角最大。（4）分区分级组合式空气雾化喷嘴头部耦合作用研究:针对某双旋流分区分级组合式空气雾化喷嘴,设计了光学可视模型燃烧室三头部实验件,研究了工况参数（旋流器压降、油气比）、结构参数（主燃级轴向设计速度、主燃级旋流强度）对头部流场、喷雾场耦合作用的影响,采用纵向截面测量方式获取了头部耦合作用截面流场、喷雾场结构,阐明了新型燃烧室头部流场、喷雾场耦合作用机制,深入认识了多头部燃烧室流场、喷雾场组织方式。研究结果表明:不考虑壁面作用、燃烧室头部间距一定时,燃烧室头部耦合作用主要受头部流场高速射流扩张角度的影响,当高速射流扩张角度大于一定值时,高速射流扩张角度增大都会增强头部耦合作用,耦合作用截面轴向速度增大,甚至出现射流合并现象,耦合作用增强反过来进一步影响头部流场结构,导致高速射流扩张角度、回流区尺寸减小;当高速射流扩张角度小于一定值时,头部耦合作用截面轴向速度很小,头部耦合作用产生的头部间低速低压区反而使得高速射流扩张角度增大。总的来说,本文对基元离心喷嘴雾化特性、分区分级组合式空气雾化喷嘴分部件耦合作用、头部耦合作用进行了系统性研究,为新型燃烧室的设计、性能优化提供了有力支撑。