在能源结构向低碳化转型的关键阶段,为尽快实现“碳中和”,有必要对清洁燃料火焰进行深入研究从而明晰其燃烧特性。本文系统综述了气态和生物质燃料火焰的检测方法以及火焰电学特性研究的发展动态,在实验室规模的燃烧设备上开展了甲烷和生物质燃烧实验,并基于图像和静电信号分析了火焰的形态特征和电学特性,为全面了解清洁燃料燃烧特性提供了参考。本课题的主要工作内容如下:本研究使用非侵入式静电传感器阵列测量不同种类火焰的静电信号,并利用结合经验模态分解和小波阈值处理的降噪方法对静电信号进行去噪预处理。文章提出使用静电信号经验模态分解的能量熵表征火焰中带电颗粒运动复杂度,实现了对火焰中带电颗粒动态特性的具体表征。此外,本文通过静电信号的均方根值,功率谱密度主频和两相邻电极的互相关函数分别分析了火焰中带电颗粒浓度空间分布,火焰闪烁频率以及火焰在空气中的扩散速度。结果表明气流条件和化学反应剧烈程度对火焰中带电颗粒运动复杂度有较大影响,甲烷火焰中部带电颗粒浓度和运动复杂度最大,生物质火焰中带电颗粒空间分布无较大差异。为完整提取火焰燃烧区域实现火焰形态参数的准确计算,本文使用结合Canny边缘检测算法和形态学处理的图像分割方法处理火焰图像。在此基础上本文定义和计算了不同燃烧工况下火焰的长度、宽度和归一化灰度平均值,并对这些特征参数的影响因素展开了分析。利用图像信息,本文对图像序列互相关系数进行频谱分析提取了火焰的闪烁频率,提出使用火焰最大宽度位移速度表征火焰在空气中的扩散速度并与静电法所得结果进行了比对分析,验证了两种方法的可行性。实验结果表明火焰闪烁频率随燃料流量的加大增大,预混火焰扩散速度在当量比稍大于1时达到最大值。