随着科技的发展，对能源系统的小型化、微型化提出了更高的要求。越来越多的场景需要一种体积小但性能强劲的动力系统，并要求其具有便携、稳定、安全、高效、高功率输出以及长续航等特点。基于燃烧的微型能源动力系统具有能量密度高、续航时间久、结构简单等特点，是满足这种对能源系统苛刻要求的一种重要实现方式。但是目前按照中、大尺度能源动力系统等比例缩小的设计方法并不完全适用于微小尺度场合，其燃烧效率以及性能都还不能达到人们需求的目标，因此迫切需要更深层次地探索微尺度燃烧的特性和规律，并提出更适合微型能源系统的解决方案。
　　在基于燃烧的微型能源动力系统内，其燃烧过程发生在毫米量级甚至亚毫米级空间。在这种极端条件下，燃烧室的特征尺度已接近火焰面的厚度，燃料化学能释放需要在极小的空间和极短的时间内完成。由于火焰与燃烧室壁面直接接触，燃烧过程中不可避免的会产生散热损失，是设计微型燃烧器时必须要考虑的影响因素。通过加快燃烧过程即提升火焰传播速度可以有效减少火焰在传播过程中的热损失，即减小燃烧系统的熵增，可以从根本上提升微型能源动力系统的效率。
　　本文建立了一种微尺度定容条件下的可视化预混火焰传播实验系统，可以用来研究火焰在不同特征尺度下的传播过程，并分析其影响因素与作用机制，也可以用来对微尺度下预混火焰传播的不稳定性及加速机制等进行量化表征。同时，为了解决微尺度燃烧能源动力系统的效率与输出功率问题，本文还建立了一个微尺度超焓爆轰燃烧实验系统，将爆轰燃烧、微尺度燃烧以及超焓燃烧的优势相结合，研究了高效微尺度能源系统单位体积输出功的提升机制。
　　针对微尺度火焰的传播和加速机制，论文开展了如下几个方面的工作:
　　(1)利用可视化的微尺度定容预混火焰传播实验系统对丙烷/氢气/空气的预混火焰传播特性进行了研究。通过实验发现，在受限空间内，燃烧室的特征尺度以及燃烧室壁面对火焰前锋的变化有着相当大的影响;已燃混合气和未燃混合气的局部流动对火焰传播的影响较大;由于微尺度燃烧条件下，热损失使得燃烧强度相对减弱，燃烧室内的压力波对火焰传播的作用程度相对提升。以上三方面构成了影响微尺度预混火焰加速过程的主要因素。
　　(2)对微尺度预混火焰传播中的加速特性进行了研究。在燃烧室特征尺度低于淬熄极限的条件下进行了一系列实验，通过当量比、初始压力以及掺氢比例等参数的调整，探究了促进预混火焰在微尺度条件下加速传播的机制。实验发现，促进预混火焰加速传播的条件为:较为富燃的混合气、更高的初始压力、更大的掺氢比例。并发现压力波、局部流动与燃烧室壁面共同作用是火焰传播中出现不稳定性的关键影响因素。
　　(3)在燃烧室特征尺度更小，即接近火焰面厚度的条件下进行了一系列预混火焰传播实验。发现了火焰在这种特征尺度下，可以发生从层流燃烧到爆燃的燃烧状态转捩，从而实现了火焰传播速度的极大提升。通过对当量比、初始压力以及掺氢比例等参数的研究，探索了微尺度燃烧模态转变及其影响机制。研究发现压力波在亚毫米级特征尺度下的微尺度预混火焰加速过程中起到了关键作用。在火焰从缓慢层流到高速爆燃的转变中，压力波与火焰之间的耦合与相互促进是触发这种燃烧模态转变的关键。该现象的发现，为基于燃烧的微型能源动力系统的效率提升提供了一种新的思路，即在实现极短时间内燃料化学能的释放的同时，加速火焰传播来减少散热损失。
　　(4)为了进一步提升燃料化学能释放的强度、促使火焰从爆燃加速到爆轰，本文设计了一种新型的微尺度超焓爆轰燃烧器，实现了微尺度预混火焰从静态点燃、加速、爆燃到爆轰全过程的转变，并且以爆轰燃烧状态传播至结束。利用微尺度燃烧的特性，燃烧器内的火焰可以在极短的时间和空间内加速到爆轰。由于螺旋通道的特殊结构设置，燃烧器内火焰与激波不断地耦合与解耦，产生多级爆燃转爆轰的加速效果，大大提高了整体的火焰燃烧强度和传播速度。在常规的爆轰燃烧基础上，通过燃烧室的精巧设计以及利用微尺度燃烧的特点，实现了在极短时间和极小空间内的充分燃烧，该研究为新型微尺度能源动力装置的研发提供了有力的基础数据支撑。