随着传统化石能源的消耗,以及其燃烧产物带来的环境问题,寻求新的替代能源变的日趋重要。氢能源具有众多优点,如来源广泛、产物零污染、燃烧热值高,被视为最具前景的新能源。然而由于氢气的特殊性质,如高扩散性、低密度、低点火能和宽点火极限等,使得任何泄漏后的氢气都有可能发生爆燃甚至是爆轰。因此从氢安全角度出发,开展氢-空气预混气体燃烧研究是预防火灾和爆炸事故中最基础、最核心的课题。同时内燃机的燃烧过程也涉及到封闭空间的预混燃烧,其过程包括火焰加速、爆燃转爆轰和准态爆轰等阶段,因此具有重要的工程应用意义。目前关于氢-空气预混火焰研究往往在含有刚性障碍物的管道中,即不可发生形变的障碍物,而对于柔性障碍物、多孔板等特殊结构下预混火焰传播特性关注较少。而开展刚性、柔性障碍物下预混火焰传播的对比研究和多孔板下火焰传播动力学以及焠熄机理的研究对提高氢能源的安全具有至关重要的作用。因此本文主要完成两个研究目标。第一个目标是系统地对比研究刚性、柔性两种障碍物下预混火焰燃烧动力学特性、流场流动特性、火焰传播动态特性及其内在机理和压力变化特性。本文另外一个目标是研究多孔板下火焰传播动力学特性、火焰焠熄极限和火焰焠熄的影响因素。首先,运用高速纹影摄像方法和压力测试技术研究预混火焰经过刚性障碍物的传播机理和其过程中的压力规律。高速摄像机和纹影系统配合用来记录火焰传播形态以及火焰传播速度随传播位置的变化规律。压力传感器用来监测非稳态燃烧过程动态压力变化特性。实验系统考虑了可燃气体当量比、障碍物阻塞比和多个连续障碍物对燃烧动力学的影响。结果表明当量比主要通过影响层流燃烧速度,从而影响流场流动速度和火焰传播。阻塞比主要通过改变流动的截面积,从而影响火焰及其前方的流场的流动压缩效率。在单一刚性障碍物中,火焰主要受流动压缩和流动膨胀影响;而连续障碍物中,火焰初期受流动压缩和膨胀影响,后续的障碍物迅速引起火焰的湍流。且障碍物之间可燃气体的燃烧产物向外膨胀,并在非阻塞区域的的管道内聚集,从而推动火焰面的加速。其次,本文设置了与刚性障碍物同样的工况,对比研究柔性障碍物中预混火焰传播动力学规律。研究表明相较于刚性障碍物中预混火焰传播,柔性障碍物的管道中流场流动、火焰传播动力学特性和压力变化特性存在明显不同。在柔性障碍物中,流场在经过柔性障碍物时发生流动分离,形成附着在障碍物上的剪切流和位于障碍物后方的涡旋结构。柔性障碍物是否发生明显形变是造成两种类型障碍物中预混火焰传播机理差异的主要原因。对于未发生明显形变的柔性障碍物,其火焰传播机理近似于刚性障碍物。而形变的柔性障碍物可以诱导出不同的流场结构,如剪切层和涡旋结构。当火焰在该流场中传播时,剪切层和涡旋结构外缘引起的流动压缩是造成火焰加速的主要机制。并且火焰传播同时受柔性障碍物的动态变化的实际阻塞比影响。柔性障碍物具有多孔结构的特性,可以吸收部分压缩波,从而有效衰减最大压力和压力增加速率。最后,本文通过实验研究了多孔板对氢-空气预混火焰传播动力学的影响。考察了气体当量比、初始压力、孔板几何尺寸以及孔板数量对于火焰传播规律和压力变化的影响。预混火焰通过单一孔板的传播过程时存在四个动力学阶段:层流火焰阶段、射流火焰阶段、湍流火焰阶段和双层火焰阶段。其中在Rayleigh-Taylor(RT)不稳定性的作用下湍流火焰面演化为双层火焰。预混火焰通过不同几何尺寸的孔板时可分为三种传播模式:“go”、“quench”和“near limit”。对于“go”模式,火焰通过孔板存在层流火焰、射流火焰和湍流火焰三个动力学阶段,火焰传播速度和压力随孔板几何尺寸增加而减小。对于“quench”模式,火焰焠熄既可发生火焰通过孔板时,也可以发生在孔板下游。当火焰通过孔板时,多孔结构吸收火焰中的热能,并且降低了燃烧反应中的自由基,从而导致火焰发生焠熄;而当火焰传播至孔板后方时,受湍流影响热的燃烧产物和冷的反应物之间过度混合导致火焰降温,从而导致火焰焠熄。对于“near limit”模式,其传播机制具有以上两种模式的特征,火焰传播至后孔板后方时,同样与冷的反应物混合导致火焰降温,但未发生熄灭,后转变为湍流燃烧。在P0-Φ图中,火焰焠熄极限符线性方程,且结果表明在贫燃料中(Φ<1.0),存在临界焠熄厚度dc(dc<80mm),而在富燃料中(Φ>1.0),未发现临界焠熄孔板厚度。