近年来,由环境问题导致的自然灾害在全球范围内频繁发生,各国能源结构转型工作正逐渐加速。大规模氢气（H2）利用是实现脱碳目标的重要选择之一。燃气轮机联合循环技术作为当前使用化石燃料的火力发电系统中最清洁、最高效的设施,被认为是未来氢能电气化的主要途径。然而H2的化学特性导致传统燃烧方式在使用H2时容易发生回火、自燃等风险。此外,为提高燃气轮机循环效率而提高出口燃气初温和抑制NOx排放之间的矛盾在使用H2时更加突出。因此,发展安全、高效、NOx近零排放的H2燃烧技术是当前气体燃烧学的热门研究方向之一,对于解决未来能源与环境的协调发展问题意义重大。在总结现有燃烧技术发展的基础上,本文提出了H2O稀释H2-空气微混合燃烧方式。一方面,微混合燃烧通过对燃烧组织方式的物理调节,改善了燃空分布和反应区流场,进而影响了火焰动态特性和NOx生成。另一方面,H2O稀释则通过改变反应物的物性甚至直接参与部分基元反应,从而对燃烧过程和NOx生成造成影响。二者结合后,微混合燃烧能够保证燃空混合效果及燃烧稳定性,而H2O稀释则可以降低H2的活性,进一步降低回火或自燃的风险。这大大提高了H2燃烧时的安全性。同时,该技术能够从物理和化学两个角度共同抑制NOx生成,实现H2燃烧的NOx近零排放,具有重大现实意义和实用价值。为了促进H2O稀释H2-空气微混合燃烧方法的实际应用和发展,本文以其燃烧特性和NO减排机理为主要研究对象,搭建了光学诊断综合实验平台并结合高时空分辨率的数值模拟方法对H2O稀释H2-空气微混合火焰展开研究工作。首先,设计了一种可实现高效掺混的H2O稀释H2微混合新型喷嘴,通过数值模拟方法研究了关键结构参数变化对燃料空气的混合特性、压损及出口流场的影响规律,并获得了最优参数数据库。结果显示在当前研究的尺度下,交叉射流结构配合空气旋流（入射角θ在45°～60°）和出口扩张段（扩张角β在40°～60°）时能够获得最优秀的混合能力和流场结构,且出口压损较低。在此基础上搭建了光学诊断H2O稀释H2微混合燃烧综合实验平台,实验研究了其火焰动态特性,验证了具有超低NOx排放性能,具备较大的实际应用潜力及价值。其次,基于高频PLIF数据研究了H2O稀释H2微混合火焰的结构特征及释热波动的时空演变特性。结果发现H2O稀释H2-空气微混合火焰结构特性受当量比（φ）和稀释量（D）的影响很大。增加φ或减少D会导火焰中产生更多的曲率半径接近1 mm的小尺度褶皱。这表明微混合燃烧相比传统尺度燃烧是更高湍流强度下的燃烧反应过程。频域分析显示H2O稀释H2-空气微混合火焰的释热振荡的特征频率倾向于低频振荡。随着φ的增加,释热频率逐渐降低,并在旋流剪切层附近出现了二次谐波频率区。此外,D的改变会使O和H的浓度和释热率发生明显变化,进而改变振荡区的强度和位置。DMD分析揭示了H2O稀释H2-空气微混合火焰的低频振荡区域主要分布在火焰臂区域。随着φ的增加,振荡区域先沿着旋流剪切层由中下游向整个区域发展直至达到峰值水平,然后又从火焰头部开始逐渐消失并向下游移动。最后,利用化学动力学分析和DNS从稀释和湍流两个角度探索了H2O稀释H2-空气微混合燃烧降低NO生成的内在机理。研究发现H2O稀释的化学作用对NO生成的影响不可忽视,其占稀释所导致的NO总改变值的-16.3%到20.1%。在典型工作条件下（0.1 MPa,φ为0.8,D为25%）,考虑H2O稀释的化学作用后,NO生成量可以降低2/3。H2O的化学作用对NO的抑制效果主要来自于H2O的直接化学反应作用。而微混合形式导致的Ka变化对H2O稀释的热稀释作用和化学作用的影响很小,但Ka的增加会导致热点处NO的峰值浓度呈现先增加后迅速降低的趋势。与层流火焰相比,Ka=0.4时的峰值温度和NO浓度平均增加了约85 K和120%。而当Ka增大至36时,峰值温度和NO浓度分别降低了约45 K和40%。这意味着增大Ka有利于抑制火焰热点处NO的生成,对于降低整体NO排放是有益的。此外,火焰中低温区的N2→NNH路径显著增强,而在火焰热点内情况恰好相反。这是因为在高Ka下H原子消耗路径被增强,火焰中H原子在向热点的传播过程中被H→HO2路径和H→OH路径迅速消耗,最终使得到达热点中H原子的浓度相对降低,从而抑制了火焰高温区内的NO生成。原本火焰中被认为是NO主要生成来源的超绝热温度区内NO的浓度被显著抑制。