超临界水热燃烧是指在超临界水中发生的剧烈的氧化放热反应，主要应用于高浓度有机废水的无害化处理及能源化利用，旨在降低超临界水氧化工艺的预热温度，解决预热过程中遇到的腐蚀、堵塞及能耗较大等问题。目前，关于超临界水热燃烧的理论研究仍处于发展初级阶段，着火机理、火焰稳定机制、典型难降解有机物的反应机理等关键问题尚不明确。本文从全混流条件下的反应机理、反应动力学，到层流火焰的流动反应及传热传质特性，再到湍流燃烧的湍流反应交互作用，对超临界水热燃烧的着火条件、火焰稳定性及火焰特性进行了较为全面的研究。主要研究内容及创新性成果如下：　
通过对压力依赖反应高压限的补充、关键反应动力学参数的优选以及超临界水热力学参数的修正，建立了能够准确反映甲醇超临界水热燃烧组分变化、火焰温度以及着火温度的自由基基元反应机理模型。通过自由基反应路径分析，明确了从氢过氧自由基起始，到过氧化氢分支产生大量羟基自由基的链式反应着火机理。其中，过氧化氢分解为羟基自由基的反应作为主要的羟基自由基供应来源，是超临界水热燃烧区别于常规气相燃烧的一大特点。阐明了着火温度与着火延迟时间、停留时间之间的定量关系，通过瞬态全混流模型实现了着火温度的准确预测。提出了全混流极限熄火温度的计算方法，并给出了不同甲醇浓度的极限熄火温度，为通过流场调控进一步降低熄火温度提供了方向。
揭示了喹啉超临界水氧化/燃烧的反应机理，在相对温和的预热温度（420~510℃）下，喹啉超临界水氧化反应的速率控制步骤由慢到快依次是：氨氮的完全降解＜吡啶环开环反应＜苯环开环反应＜脱氮产物的完全氧化。活泼中间产物与未开环喹啉间的氧化剂竞争关系限制了喹啉的完全转化。实验拟合得到喹啉氧化的全局反应中氧的反应级数为2.766。以双氧水作为氧化剂相比于氧气作为氧化剂能够加速自由基反应诱导阶段，明显地提高喹啉的完全转化率。初始喹啉浓度的增大，对喹啉的完全转化具有明显的促进作用。当初始喹啉浓度大于8　wt%时，可以检测到明显的着火现象。8　wt%和10　wt%浓度的喹啉的着火温度分别为425℃和400℃，证实了高浓度难降解有机物直接超临界水热燃烧的可能性。
通过对CHEM1D软件的二次开发，建立了适用于超临界水热燃烧工况的层流对冲扩散火焰计算模型。揭示了超临界流体在近临界区域的大比热容以及近、亚临界区域的高导热系数、高粘度和低扩散系数均导致层流对冲扩散火焰温度低于理想气体假设下的计算值，典型差值在500　K以上。通过质量扩散系数敏感性分析，明确了热量与质量差别扩散从而导致层流扩散火焰温度整体下降的火焰特性。给出了甲醇超临界水热燃烧层流对冲扩散火焰在入口温度、燃料浓度和流动应变率三维变量空间的火焰稳定范围。临界熄火流动应变率随燃料浓度的减小和入口温度的降低而减小，由于水的稀释作用，典型超临界水热燃烧临界熄火流动应变率远小于超临界氢氧火焰的临界熄火流动应变率。确定了以混合分数和进程变量为独立变量的包含熄火过程瞬态火焰状态的层流小火焰数据库的建立方法，通过对比分析确定了选取二氧化碳质量分数作为进程变量可以更好地满足单值性和平缓性要求。
构建并对比了总包反应有限速率/涡耗散模型、详细化学反应速率/涡耗散概念模型和层流小火焰/假定概率密度函数模型三种湍流反应模型，后两者通过详细化学反应机理及高阶湍流反应交互作用模型的引入，实现了着火温度和熄火温度的较为准确的预测。明晰了典型超临界水热燃烧工况下，最小湍流涡Kolmogorov涡长度尺度比层流火焰面厚度小一个数量级，处于湍流反应强耦合模式。层流小火焰/假定概率密度函数模型在火焰温度分布的预测准确性方面略优于详细化学反应速率/涡耗散概念模型，且前者计算耗时仅为后者的1/300。
进行了连续式超临界水热燃烧的热态着火初步试验，表明以双氧水做氧化剂可以降低自燃着火温度，但同时会导致氧化剂与燃料射流动量比增大，难以建立回流稳燃区。另外，针对同轴射流和交叉射流两种燃烧器形式，研究了燃烧器结构尺寸对超临界水热燃烧特性的影响。阐明了同轴射流燃烧器中适度增大回流区有助于火焰的稳定，过大的回流区会增大壁面散热而降低火焰稳定性，最优Craya-Curtet数为0.17左右。针对交叉射流型水热燃烧器，揭示了富氧回流区比富燃回流区更容易形成高温积聚，从而更有助于提高火焰稳定性的稳燃机制。提出了中心射流为氧化剂的新型交叉射流超临界水热燃烧器形式，比现有超临界水热燃烧器的熄火温度降低了100　K左右。