微小尺度燃烧面临燃烧不稳定、点火难以及燃烧效率低下等问题,这是制约燃料型微小能量系统发展和应用的关键。本文围绕着如何提高燃烧稳定性和降低燃烧温度,制作了部分填充泡沫金属的微小燃烧器并针对微燃烧器内甲烷/空气预混催化燃烧进行了数值模拟和实验研究。利用Fluent软件,数值研究了多孔介质燃烧和催化燃烧两种技术对微小尺度燃烧过程的影响;构建催化燃烧实验测试系统,对制备的以泡沫金属Ni作为结构基体的贵金属Pd整体催化剂的催化反应活性进行了实验研究。首先,建立了甲烷/空气预混气体的均相燃烧反应模型,对狭缝高度为3mm的通道燃烧气内甲烷的气相燃烧进行了数值模拟,以便将其计算结果作为多孔介质惰性燃烧过程的对比依据。模型采用甲烷-空气两步反应机理来计算燃烧反应过程,数值研究了预混气体入口温度、入口流速、当量比和散热损失对均相燃烧特性的影响。其中入口温度和速度对火焰前沿的位置和形态有重要影响,因为入口温度的高低直接影响了火焰传播速度的快慢,而气体流速与火焰传播速度之间的相对大小则影响了火焰锋面的形状。当入口流速与火焰传播速度相当时,火焰前端面呈扁平状;当入口流速远大于火焰传播速度时,火焰被流体裹挟着朝下游方向移动,其前端面呈V形,且两个流速大小差距越大,V型火焰锋面的弯曲程度越剧烈。在本研究设置的条件下,入口温度300K,入口速度v₀=3.0m/s时,燃烧器内看不到完整的火焰形态,火焰已被吹出燃烧器。其次,在狭缝高度为3mm的通道燃烧器内填充了部分多孔材料,建立了甲烷/空气预混气体的多孔介质惰性燃烧模型,数值研究了多孔介质燃烧器内甲烷/空气的均相燃烧过程。泡沫Ni材料的孔隙率95%、孔径大小约200μm,长度3mm,放置在距离通道入口1mm的位置处。采用单温度（局部热平衡）多孔介质模型和甲烷-空气两步反应机理,研究了入口流速、当量比和散热损失对多孔介质惰性燃烧特性的影响。计算结果显示,多孔介质的填充可以有效的稳定有限空间内的燃烧,拓宽燃烧极限。同样入口温度300K时,入口流速从1.5m/s增大到3.0m/s的范围内,火焰前沿位置始终稳定在多孔介质区域,火焰形态呈抛物面状。此外,由于多孔材料的强换热作用和蓄热效应,使得整个通道燃烧器内的温度分布更加均匀,气体的平均温度也更高一些。本文还采用甲烷/空气反应的GRI3.0详细机理进行了燃烧过程模拟计算,计算所得火焰峰值温度低于采用两步反应所得结果,且燃烧反应区域较宽,但采用详细反应机理加大了计算的复杂程度,计算收敛难度加剧。另外,也在多孔介质燃烧模型中用双温度模型取代单温度模型进行了计算,对比分析两种计算结果,发现对于本文研究所用的泡沫Ni,气体和固体骨架间的温差非常小（<5K）。再次,在甲烷/空气预混气体的多孔介质惰性燃烧模型的基础上,增加了多孔材料表面反应,对狭缝高度为3mm、填充了部分多孔材料的通道燃烧器内甲烷/空气的催化燃烧过程进行了数值模拟。模型采用Deutschman表面多步反应机理,气相反应仍然采用甲烷-空气两步反应机理,多孔介质区域仍然使用单温度（局部热平衡）多孔介质模型,研究了入口温度、入口流速和当量比对多孔介质催化燃烧特性的影响。计算结果表明,多孔介质表面的催化反应提高了甲烷燃烧的稳定性,拓宽了燃烧极限。尤其在入口预混气体流速较低（v₀=0.5m/s）时,与甲烷/空气多孔介质惰性燃烧相比,不仅燃烧火焰的前沿位置从靠近通道入口处移动并稳定在多孔介质区域,并且明显降低了燃烧反应的温度,火焰最高温度降低了406K。另外,预混气体入口温度的升高可以显著提高甲烷的催化转化效率,入口温度低于900K的情况下,提升预混气体温度可以显著提高甲烷的催化转化效率,而空间均相反应几乎不会发生。相同入口温度条件下,发生催化燃烧反应的甲烷转化率明显高于发生惰性燃烧反应甲烷的转化率。最后,以泡沫金属为结构基体,氧化铝溶胶为载体涂层,贵金属Pd作为活性组分,采用浸渍法制备了整体式催化剂Pd/Al₂O₃/Ni,并在狭缝高度2mm的微小燃烧器中对该整体催化剂的催化活性进行了测试实验。实验研究了反应温度、甲烷浓度、入口速度以及的稀土元素Ce和Zr的添加对整体催化剂催化活性的影响。实验结果表明:反应温度对微通道燃烧器中甲烷的催化氧化起着非常重要的影响,温度≥450℃时甲烷的转化率达到10%以上;温度升高到600℃后,CH₄转化率达到89.1%。预混入口气体中甲烷的浓度也对转化率起着很大的影响,随甲烷浓度的增加,甲烷转化率都是呈下降趋势的,燃料中甲烷浓度为2%时转化率达最高值。添加了Zr的1%Pd/Zr/Al₂O₃/Ni整体催化剂,其起燃温度T₁₀降低了29℃,T₅₀降低了45℃,燃尽温度T₉₀降低了37℃之,催化活性要远高于相同情况下掺杂了Ce的催化剂活性。