先进航天动力是体现一个国家科学技术水平、军事科研实力和综合国力的重要标志之一，也是促进国家相关领域科研水平和技术实力快速发展的不竭源泉。目前，我国航天发动机研发正处于跨越式发展时期，发动机燃烧室的工作参数不断提高。甲烷作为液体火箭发动机推进剂，有着比冲高、绿色环保、经济性好等众多的优势。然而在火箭发动机燃烧室的极端热力学条件下存在燃烧不稳定等问题。这些现象的发生涉及高温高压燃烧化学反应、复杂传热传质以及流体流动等过程。解决这些问题已成为发展先进的发动机必须重点突破的关键科学难题。

本项研究以甲烷/氧气高压下的燃烧不稳定性为研究目标，针对高压扩散火焰燃烧难于控制等问题，通过合理化设计和试验调试优化完善，建立了我国首套碳氢燃料高压扩散燃烧基础试验平台（最高压力高达10 MPa），将火焰发光强度作为特征信号对火焰不稳定燃烧现象进行分析，利用纹影法这一非接触光学测量系统，实现了火焰的流场演化过程捕捉。

本研究展开了高压（0.1-4.0 MPa）极端热力学条件下的甲烷/氧气层流扩散火焰结构和稳定性试验。利用短时傅里叶变换、相空间重构等方法对火焰发光强度进行处理，表征了火焰的三种燃烧状态：（1）稳定燃烧火焰信号在全时域和频域上没有表现出震荡特征，火焰信号的相空间重构图形具有不动点平庸吸引子运动模式；（2）间歇震荡燃烧火焰信号在时域中分立的时段上出现了基波频率相同的震荡燃烧的燃烧状态，火焰信号的相空间重构图形具有不动点和极限环两种平庸吸引子运动模式；（3）持续震荡燃烧火焰信号在全时域上均表现出震荡特征，火焰信号的相空间重构图形具有极限环两种平庸吸引子运动模式。

基于火焰发光强度信号相空间重构和短时傅里叶变换，以燃烧器喷口处弗劳德数Fr和相对燃烧压力p_r为参数，对试验中各流量参数下的火焰燃烧状态进行了分区，提出了三种燃烧状态的临界条件（间歇震荡状态弗劳德数Fr_min和Fr_max上下临界条件），当燃烧器出口处甲烷射流的弗劳德数Fr < Fr_min时，火焰处在稳定燃烧状态；当Fr > Fr_max时，火焰处在持续震荡燃烧状态；而当Fr_min < Fr < Fr_max时，火焰处在间歇震荡燃烧状态；建立了无量纲震荡频率St与燃烧器喷口处弗劳德数Fr之间的关系，

基于火焰流场纹影图像分析，开展了甲烷/氧同轴射流层流高压扩散燃烧三种燃烧状态火焰结构和流场变化特征研究，得到了火焰在高压下的火焰燃烧模式转化机制。研究发现，火焰反应区外侧的流动剪切层失稳是火焰震荡现象的主要成因；随着燃料射流的雷诺数增加，剪切层的稳定区长度迅速降低，剪切层中涡环生成的位置降低；当这一涡环降低到一定高度后，火焰反应区受到影响，火焰开始震荡，当扰动出现高度降低到火焰羽流附近时，火焰便会出现间歇震荡燃烧现象；涡环的扩散传质传热引起的冷却效果会使得火焰剪切层稳定性受到影响，当雷诺数进一步增加，剪切层涡环的冷却效果不足以使火焰重回稳定后，火焰进入了持续震荡燃烧状态。

研究中探索了适用于高压扩散火焰的计算模型，利用层流小火焰燃烧模型与甲烷详细化学反应机理耦合，开展了火焰震荡燃烧数值模拟分析。计算获得了火焰流场中各中间产物的分布特征，分析了震荡燃烧状态下火焰头部分离现象的成因。

总之，本研究开展了甲烷/氧气极端热力学条件下燃烧稳定特性研究，建立了高压扩散燃烧基础试验平台，通过试验和理论分析，提出了三种燃烧状态精确分区和燃烧状态临界条件，获得了高压条件下火焰燃烧模式转化机制，这为探寻碳氢燃料高压扩散燃烧不稳定性研究提供了大量基础试验数据和理论依据。