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随着能源和环境问题日益突出,寻找新的发动机燃料和降低排放迫在眉睫。气体燃料被认为是最具有实用价值的发动机替代燃料并在发动机中被广泛研究,且气体燃料掺氢后可以明显改善发动机的性能和排放。层流火焰作为缸内燃烧的基础对了解缸内燃烧过程有重要意义;而对碳烟颗粒的生成过程进行研究则可以有效降低发动机颗粒物排放。因此,本文在对冲平面火焰台架上,使用粒子图像测速仪(PIV)对甲烷、乙烷和丙烷掺氢层流火焰速度以及不同出口温度下甲烷掺氢层流火焰传播速度进行实验测量;并进行模拟计算与分析。在预混火焰台架上,使用热泳探针采样及透射电镜(TEM)分析方法对掺氢乙炔预混火焰碳烟生成进行研究。研究显示,掺氢比增加,甲烷、乙烷和丙烷火焰速度增大并与掺氢比基本呈线性关系;且掺氢对甲烷火焰速度的影响较乙烷和丙烷大。模拟分析发现,反应R1:H+O2<=>OH+O对甲烷、乙烷和丙烷掺氢火焰速度有非常明显的促进作用且随着掺氢比增加而越明显;H、O和OH自由基的摩尔分数随掺氢比增加而增大。因此掺氢增加火焰速度的主要原因是,H自由基浓度增加促使反应R1向正方向移动。对比甲烷、乙烷和丙烷掺氢火焰发现,R1对甲烷掺氢火焰速度促进作用最强,且甲烷火焰中自由基浓度增加更明显;因此掺氢对甲烷火焰速度影响更大。甲烷掺氢火焰速度随出口温度升高而升高且仍与掺氢比基本呈线性关系。模拟分析发现,反应R1的敏感性系数随出口温度升高而减小。H、OH、O和CH3自由基浓度及生成速率随温度升高而增大;说明温度升高导致基元反应的整体反应速率加快,这也是出口温度升高能够使火焰速度增大的主要原因。在乙炔掺氢火焰中,碳烟的实际生成过程与理论生成过程基本吻合。乙炔预混火焰温度随掺氢比增大而降低;当量比降低,火焰温度升高。对于乙炔掺氢预混火焰,其碳烟生成的减少是乙炔含量的减少及氢气的稀释和化学影响的共同作用。掺氢及降低当量比之后,碳烟颗粒的平均粒径整体有所降低。进一步分析发现,掺氢对碳烟的成核以及表面生长有抑制作用;降低当量比对碳烟的表面生长有抑制作用。