现代燃气轮机多采用贫燃预混燃烧方式来实现低排放目标,然而却带来了热声不稳定性问题,这些振荡会产生高强度的噪音,严重时还会影响燃机的正常运行。本文经过前期的广泛调研,搭建了热声不稳定性实验系统,针对双级轴向旋流燃烧器,以甲烷和空气的预混气为主燃料,展开了大量的实验研究。以基础的压力波形图和功率谱密度图结合高速相机拍摄的火焰图片进行分析,也使用了多种新型的处理方法包括相空间重构、递归图重构、基于Lab VIEW的火焰图像处理方法和基于PIV燃烧流场的POD模态分解方法用于分析热声不稳定现象。实验研究了三种过程,过程一以逐级减小、再逐级增大的方式改变当量比,发现当量比的变化是热声不稳定现象发生的重要诱因。在逐级减小当量比的过程中,初始当量比为0.90时,燃烧室的振荡强度最强。前后两种子过程中热声振荡的模态特征呈现出了不一致的情况。燃烧不稳定状态的转变可能存在一定的时间记忆效应,后期燃烧状态受前期燃烧状态影响,滞环现象明显。过程二通过控制内外管预混气雷诺数之比来改变剪切强度。在内外管雷诺数之比为1时燃烧室的振荡强度最强。内外管雷诺数之比从0.62增加到1,振荡持续增强;当内外管雷诺数之比从1增加到1.8的过程中,振荡不断减弱。直到内外管雷诺数之比为1.8时,振荡消失,系统回归稳定,此时出现了区别于258Hz频率左右变化的416Hz频率。不稳定主频率随着内外管雷诺数之比增大而增大,但并不是线性增大的。在双旋流燃烧室内存在两种中频频率为主导的不稳定模态,位于258.0Hz和400.0Hz左右。过程三关于前两种过程下的低频振荡设计了一种分层燃烧方式。低频振荡频率在分层比为1和1.03时完全消失,在此之前和之后的工况下仍然存在。综合重建后的相空间形态及结果分析,动力系统中不同时刻的状态和极限环振荡的发展过程,通过相空间得以清晰的重现,与功率谱密度分析存在明显地关联。从构建的递归图来看,燃烧室的两种中频振荡发生时其振荡周期性明显,暂时未发现一些特别发展的递归图形。经Lab VIEW图像后处理程序染色后的火焰图像通过分析后得到,双旋流火焰中内外循环区内流场结构波动是造成热与声耦合,进而产生中频振荡的主要原因。而位于中心回流区内的火焰热释放波动,则是在多种工况下造成低频振荡的主要原因。利用本征正交分解（POD）方法通过对粒子图像测速仪（PIV）所测得的燃烧场进行降阶重构,重构后的不同模态表示系统内部涡结构都通过沿着剪切层附近膨胀发展直至破碎。然后通过影响局部当量比等参数发生波动,继而影响燃烧室内的热释放波动与压力波动耦合产生振荡。