天然气是一种公认的高品质气体燃料,目前已经得到大范围的推广和应用。但是由于其燃烧速度较低,在内燃机中使用会使得燃烧持续期增大,热效率降低,此外其稀燃能力差,导致发动机循环变动增大。氢气是一种可再生的清洁能源,其燃烧速度为天然气的5倍左右,且其点火能量低,燃烧界限宽。天然气掺氢后内燃机燃烧性能必将得到较大的提升。天然气的主要成分为甲烷,为此针对甲烷/氢气混合燃料的层流、湍流预混燃烧特性展开实验研究,对进一步加深甲烷/氢气燃烧特性的研究,实现天然气发动机燃烧室的优化设计具有重要的意义。搭建了预混定容燃烧弹实验系统,实验系统由定容燃烧弹、纹影系统、点火系统、进排气系统、湍流生成系统、高速摄像机系统和同步触发系统七部分组成。基于所搭建的实验系统开展了甲烷/氢气层流预混燃烧实验,研究了氢气比例、当量比对甲烷/氢气/空气火焰传播速度的影响规律,分析了火焰拉伸作用对火焰传播速度的影响机制,发现了层流燃烧速度的增长幅度随着氢气比例的增大而增大的现象;基于GRI3.0机理采用Chemkin进行了仿真计算,分析了当量比和氢气比例对火焰结构的影响规律,明确了影响化学反应的进程的核心基元反应,揭示了 H和OH对层流燃烧速度的影响机制。基于Matlab实现了对火焰锋面胞状结构的高精度提取,并定义了胞状结构平均面积和均一度两个参数对甲烷/氢气/空气层流预混火焰锋面胞状结构进行评价。研究了氢气比例和当量比对火焰锋面胞状结构演变特性的影响规律,明确了火焰锋面胞状结构发展到一定程度后,火焰锋面胞状结构趋于稳定,平均面积和均一度均趋于定值;分析了火焰固有不稳定性对火焰锋面胞状结构的影响规律,明确了随着火焰固有不稳定性的增强火焰锋面胞状结构加剧,揭示了火焰传播速度和火焰锋面胞状结构竞争机制是引起火焰锋面结构演变特性的机制。研究了甲烷/氢气/空气湍流预混火焰的传播特性。研究了氢气比例、当量比和湍流强度对湍流预混火焰演变特性的影响规律,得到了氢气比例、当量比和湍流强度对湍流预混火焰传播速度的影响规律,分析了拉伸率对湍流预混火焰传播速度的影响机制。明确了氢气比例、当量比和湍流强度对湍流燃烧速度的影响规律,得到了火焰充分发展条件下的湍流燃烧速度的拟合公式,分析了氢气比例、当量比和湍流强度对燃烧速度的促进作用,明确了甲烷/氢气相对湍流燃烧速度随氢气比例的增长整体呈非线性降低的规律,湍流对甲烷/氢气燃烧速度的影响随氢气比例的增大逐渐降低。研究了甲烷/氢气/空气湍流预混火焰的结构特性。探讨了火焰传播初期形状对火焰结构特性的影响规律,明确火焰初期形状对火焰结构特性的影响随着火焰的传播逐渐降低;采用快速傅里叶变换对火焰锋面不同尺度的扰动进行分解,研究了不同尺度扰动随时间的演变特性,明确了火焰锋面不同扰动对火焰结构的影响机制,小波数扰动是火焰锋面宏观结构的主要影响因素,大波数扰动是火焰锋面局部结构特性的主要影响因素。明确了火焰锋面局部结构特性和速度特性的概率分布特性,揭示了湍流对火焰锋面局部结构特性和局部速度特性的影响机制,湍流尺度增大引起的火焰结构特性的变化是引起火焰锋面局部波动和局部速度增强的核心因素。