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纤维素乙醇酿造技术的不断突破与发展，再次引起了人们对生物乙醇燃料的广泛关注。发动机燃用生物乙醇可以有效降低温室气体排放，同时有利于国家粮食和能源安全。随着HCCI技术和乙醇重整制氢技术的不断进步，发动机燃用含水乙醇和掺氢乙醇(本文统称为乙醇掺混燃料)将会变为现实，且燃料乙醇在发动机中的应用将更加灵活。
目前，关于乙醇及其掺混燃料的研究大都集中在发动机台架试验上，而很少有对其基础燃烧特性的报道。本文主要利用定容燃烧弹高速纹影摄像实验平台和CHEMKIN气相化学反应动力学数值模拟平台，开展了初始压力、初始温度、当量比、含水量和掺氢量等对乙醇－空气预混层流火焰影响规律的研究，得到的主要创新性结论如下：
(1)初始压力、初始温度和当量比对乙醇.空气层流火焰的影响：通过向外传播球形火焰的实验研究，得到了乙醇－空气混合物层流燃烧速度随初始压力、初始温度和当量比变化的指数拟合式和Zeldovich表达式。实验研究表明，层流燃烧速度随温度的增加而增加；随压力的增加而降低；随当量比的增加先增加后降低，并在当量比1.2附近取得最大值。化学动力学分析表明，火焰中乙醇主要是通过脱氢反应(C2H5OH+X→C2H5O异构体+HX)而被消耗的；乙醇－空气火焰中几个主要活性基(H、OH和O)的浓度随压力增加而降低，随温度的增加而增加，并且这三个活性基浓之和的最大值(Ma)({[OH]+[H]+[O]})对层流燃烧速度有着明显的控制作用。火焰不稳定性分析表明，压力对乙醇－空气火焰的热扩散不稳定性影响较小；而对流体力学不稳定性影响较大，即随着压力的增加，火焰的厚度不断减小，从而使其流体力学不稳定性增强，表现为火焰前锋面裂纹的增加和临界半径的减小。
(2)含水量对乙醇－空气层流火焰的影响：实验研究表明，随着含水量的增加，含水乙醇－空气混合物的层流燃烧速度呈线性下降；已燃气体的马克斯坦长度随当量比和含水量的增加而减小。数值模拟结果表明，主要产物(C2H5OH、O2、H2O、CO2和CO等)的生成(或消耗)速率都随含水量的增加而降低。此外，本文还通过设计4种可燃混合物来模拟分析水对乙醇.空气火焰影响的三种效应(稀释、吸热和化学效应)。结果表明，化学效应的影响是最小的，在偏离化学计量比时几乎可以忽略；水的吸热效应先小于稀释效应，但随含水量和当量比的增加吸热效应不断增加并最终超过了稀释效应。火焰的不稳定性分析表明，水的添加使得乙醇-空气火焰的热扩散不稳定性和流体力学不稳定性同时降低，表现为火焰前锋面细胞状裂纹的减少和临界半径的增大。
(3)掺氢量对乙醇-空气层流火焰的影响：实验结果表明，火焰的层流燃烧速度随掺氢量的增加而增加，尤其是当掺氢量达到60％以后其增加非常显著；层流燃烧速度的增加率随掺氢量呈指数增长，并且这个增长随当量比变化不明显。低掺氢量时，乙醇-氢气-空气火焰的马克斯坦长度随当量比的变化规律与碳氢燃料类似，而高掺氢量时，马克斯坦长的变化则与氢气-空气火焰相似。此外，当φ<1.4时，马克斯坦长度随掺氢量的增加单调递减，然而当φ>1.4时，马克斯坦长度表现为随掺氢量的增加而增加。实验研究还发现，掺氢量为20%～40%左右的75%含水乙醇-氢气-空气层流火焰燃烧特性参数与纯乙醇-空气火焰是较为接近的。数值模拟结果表明，火焰主要组分生成(或消耗)速率都随掺氢量的增加而增加；主要活性基也随掺氢量的增加而增加，并且当掺氢量达到80%时，H基的浓度超过了OH基浓度，这也是导致层流燃烧速度随掺氢量呈指数增长的根本原因。火焰不稳定性分析表明，随着掺氢量的增加，乙醇-氢气-空气火焰的不稳定性在稀薄混合时是增加的，表现为火焰前锋面的裂纹加剧；而在浓混合时则恰好相反。
通过对乙醇及其掺混燃料预混层流燃烧特性的研究，可以为改进和完善乙醇氧化的动力学机理提供丰富的基础燃烧特性数据，同时可为乙醇掺混燃料发动机的优化提供有益的参考。