随着以燃料燃烧为主的动力系统在人类社会中的广泛应用，提高燃烧效率和品质成为越来越受到关注的课题。而要提高动力系统的燃烧效率和品质，需要更全面地了解燃烧器内部火焰燃烧情况。这就需要对火焰动力学进行充分的认识。　本文第一部分在西安交通大学开展了以一氧化碳和氢气为主要组分的合成气层流火焰燃烧特性研究。第二部分是在英国谢菲尔德大学完成的扩散火焰和部分预混甲烷的碰撞火焰研究。甲烷作为天然气的主要成分，在家用和工业方面都具有广泛的应用。为了模拟燃烧器内部的传热过程和碰撞火焰形态。本文工作还包括不同燃烧器下的火焰不稳定性及胞状火焰特性研究。利用OH-PLIF(OH基平面激光诱导荧光)装置和本生灯炉测量合成气层流火焰燃烧速度，采用化学反应动力学Chemkin软件进行模拟计算。通过研究不同组分合成气燃烧过程中火焰拉伸率的影响，得到混合气掺氢比和拉伸率之间关系。另外利用碰撞火焰装置研究扩散火焰和部分预混火焰下的被撞击平面温度分布及火焰形态结构。最后分别利用定容燃烧弹和麦肯纳炉，研究预混合成气组分及富氧甲烷燃烧下的火焰胞状结构及机理。
本论文的研究工作得到多项基金的资助　。本论文的主要内容和创新点有：
1. 利用OH-PLIF和数码相机拍摄不同掺氢比下的预混合成气火焰结构及OH基分布，测量本生灯火焰的层流火焰燃烧速度并结合Chemkin软件进行模拟分析。实验结果表明，本生灯预混合成气火焰的宽度随着掺氢比的增加而加宽，且OH基分布随着当量比和掺氢比的增加，从预混区向扩散区转移。层流燃烧速度随着掺氢比的增加而显著增加，未燃气温度对燃烧速度测量值影响较大。对于本生灯火焰来说，利用OH-PLIF研究其火焰火焰内部构造的研究十分稀少，本实验中利用光谱仪获得了火焰的可见光波长分布，获得了较为全面的火焰信息，是对已有认识的补充和发展。通过增加混合气的掺氢比，进一步研究了优先扩散效应和火焰拉伸对合成气火焰形态及层流燃烧速度的影响。实验结果表明，在高掺氢比下，由于氢气的高扩散特性，火焰在低当量比时会出现顶端开口现象，在高流速下，由于本生灯出口速度产生的不平均性，火焰拉伸会使得层流燃烧速度的最大值向较低当量比方向转移。
2. 研究了甲烷层流扩散和部分预混碰撞火焰在不同碰撞高度时，被碰撞壁面的温度分布和火焰形态。实验表明，对于扩散碰撞火焰，温度分布曲线在壁面边缘处最高，而对于部分预混火焰，最高温度区域向壁面中心转移，这一结论得到高速摄像机和热成像仪测量结果的证实，并且利用OH-PLIF拍摄到碰撞火焰靠近壁面时的OH基分布图像，进一步验证了实验观测现象。同时研究了湍流部分预混碰撞火焰的火焰形态特征，并利用扩音器结合FFT变换处理收集到的图像和声音信号。　在碰撞高度升高时，火焰湍流漩涡加剧且燃烧噪声变大，通过FFT进行火焰图像和声音信号的频率转换发现，造成燃烧噪声的部分为火焰下方的漩涡状湍流部分。
3. 利用定容燃烧弹分别研究高掺氢比下稀混合气和浓混合气的火焰燃烧不稳定性。发现在稀混合气下，随着掺氢比的增加，火焰不稳定性加剧，这主要是由于热扩散不稳定性所导致的；而在浓混合气下，热扩散不稳定性消失，此时随着掺氢比的增加，火焰不稳定性被抑制，这是由密度跳动引起的流体动力学不稳定性减弱所致。在平面麦肯纳炉上开展了二氧化碳作为稀释气的甲烷富燃火焰胞状结构分析。细胞状结构在当量比为0.6~0.8时出现，细胞状结构随着未燃气流量的增加而变得明显。通过计算混合气热物性参数，得到影响混合气流体动力学不稳定性的相关参数随当量比的变化趋势。当量比变化时，热扩散不稳定性变化较小，而流体不稳定性变化很大，此时细胞状火焰结构大而少的花瓣形结构变为小而密的胞状结构，火焰高度也有所降低