随着温室气体排放带来的全球变暖日益严重,世界各国均寻求减少碳排放的有效手段。氨由于不含碳,易于储存和运输,现有生产及运输设施较为完善且与氢之间易于相互转化,因此近年来被视为通向“无碳经济”能源媒介之一。但由于氨极低的反应活性导致其在传统燃烧设备中的应用存在明显的问题。富氧燃烧和掺氢燃烧均是解决混合气反应活性低下的有效途径。但目前针对富氧和掺氢条件下氨气预混层流基础燃烧特性的系统性研究较少,基础数据及理论并不完备,难以为工程实际应用提供指导。为解决这些问题,本研究首先确定了定压球形火焰法在高火焰速条件下最少插值点数量,然后通过自行开发的定容燃烧弹及亚像素图像处理系统对文献中缺失的高富氧及掺氢比例下的氨气层流火焰速度在不同初始富氧及掺氢比、当量比、初始温度下进行了测量。利用本研究得到的层流火焰速度测量值结合文献中的报道值对十三种应用较广的氨气氧化反应动力学机理进行了广泛的对比验证,得出了富氧和掺氢条件下最为准确的反应机理。利用最准确反应机理对氨气的燃烧性质和氮氧化物生成机制进行了反应动力学模拟和预测。结果表明:目前没有一种氨气氧化机理可以同时准确预测富氧及掺氢条件下层流火焰速度。富氧条件下的Okafor等人2019年提出的简化机理最为准确,而掺氢条件下Stagni等人2020年提出的详细机理最为准确。通过火焰速度对基元反应速率、组分热力学和输运参数的敏感性分析发现,在掺氢和富氧条件下,氨气氧化过程中的关键组分与空气条件下基本相同,表明反应机理准确性的关键在于基元反应常数的选取。实验及反应动力学模拟表明富氧和掺氢均可以显著提升氨燃烧的层流火焰速度、混合气热值和自由基浓度,但同时会由于火焰温度的升高导致生成物水的分解,进而降低燃烧效率。富氧会使燃烧效率大幅下降影响到实际应用,不过掺氢对燃烧效率影响不大。富氧后已燃气体马克斯坦长度先快速再缓慢下降的趋势主要受火焰厚度降低的影响,而掺氢后已燃气体马克斯坦长度先下降后上升主要受到混合气泽约科维奇数和刘易斯数变化的控制。富氧和掺氢时会由于已燃区的H2O分解和中间组分后氧化造过程成特殊的超绝热火焰温度和非平衡现象,这些现象会对层流火焰速度测量的准确性造成影响。对混合气放热过程分析表明富氧不会明显改变氨气氧化的反应路径,但随掺氢比例增加燃料氧化路径逐渐由氨气反应路径向氢气转变,导致基元反应对放热的贡献发生明显变化。随后本研究对氮氧化物的生成路径的分析表明,富氧和掺氢都会导致氮氧化物排放明显升高。大部分条件下NO在氮氧化物排放中占据主导地位,但会在靠近燃烧极限处由于火焰温度的迅速下降向NO2转化,导致常规用于控制热力型NOx的超稀薄燃烧方法在控制氨气燃烧所产生的燃料型NOx时效果减弱。H自由基在NO生成中随富氧和掺氢比例提升逐步占据主导地位,以至于其在火焰中含量的非线性变化造成了掺氢条件下NO排放先升高后降低趋势,一般在掺氢量75%左右出现最大值。除纯氢条件之外,HNO反应路径在任何条件下对NO的贡献均超过50%,而NO在火焰面中的消耗主要依赖于NHi（i=0,1,2）组分有关的反应。富氧和掺氢氨气燃烧中已燃区均存在NO后氧化降低过程。该过程导致最终NO排放明显低于火焰面处的生成量,但由于后氧化反应速率在已燃区较低,导致NO排放无法在有限时间和尺度内达到化学平衡状态。已燃区的后氧化过程在稀燃时主要依赖热力型NO生成中的反应,对已燃区温度较为敏感。因此在富氧高温燃烧时显著增强,最终出口处NO排放在稀燃高富氧比时几乎不随富氧量变化。而N2作为氨气燃烧的最终产物,其反应活性对火焰面处的性质可以忽略不计,但会对后氧化过程产生化学作用,导致NO排放升高。最后本研究对考虑压缩过程的掺氢氨气在内燃机高温高压条件下的层流燃烧进行了模拟,并与化学计量比条件下的甲烷空气、甲醇空气、和乙醇空气燃烧性质进行了对比。以碳氢碳氢燃料的燃烧性质作为参考,并考虑NOx排放和燃烧效率之间的平衡。内燃机条件下,NH3/H2混合燃料潜在的适宜工况在当量比1.0-1.05,掺氢摩尔分数40%-60%之间。且由于NH3/H2具有良好的抗爆性、在高压缩比下具有更好的燃烧性能,因此更适宜高压缩比工况。