随着全球能源消耗量的不断增加以及污染物排放造成的环境破坏，人们日益关注如何提高传统燃烧方式的效率以节约能源，以及如何减少污染物排放以保护生态环境。预热空气燃烧等燃烧方式相比于传统的扩散火焰，虽然可以在一定程度上提高系统热效率，但会造成氮氧化物等污染物排放的大幅提高，加速了对生态环境的破坏。　　高温空气燃烧技术是将空气预热到800K以上，以反应区高温低氧氛围为特征，使得峰值火焰温度大幅降低，火焰温度分布更加均匀，氮氧化物等污染物的排放也明显降低。高温空气燃烧技术可以燃烧常规化石燃料，也可以燃烧低热值燃料，具有很大的工业应用前景。为了将高温空气燃烧技术应用于各类燃烧设备，需要深入研究其火焰特性和化学反应机理，为燃烧的节能和减排提供更多的理论支持和技术积累。本文通过实验研究和数值模拟研究两种方式，分别对高温空气燃烧技术的燃烧机理、氮氧化物排放特性以及蓄热室换热特性进行了研究。　　搭建了可控热氛围伴流燃烧实验平台，研究了甲烷和丙烷两种气体燃料的射流扩散火焰，在不同伴流条件下的抬举特性及稳定机理。研究了伴流氧浓度和伴流温度对抬举高度的影响，通过对火焰抬举高度变化趋势的分析，揭示了在高温低氧氛围中，射流燃料的自动着火取代传统扩散火焰的传播机理，自动着火成为了影响火焰稳定的主要因素，而无伴流条件下的自由射流扩散火焰稳定机理仍然适用传统火焰传播速度机理。使用谱色测温法对火焰区域的温度进行测量，得到了不同伴流条件下的火焰温度分布特性，通过分析温度分布特性，划分了传统射流扩散燃烧、高温空气燃烧以及两者之间过渡区三种不同燃烧方式。针对高温空气燃烧的火焰稳定机理，提出了由非绝热着火延迟时间和燃料初始质量分数共同影响的抬举高度的预测模型。　　针对实验中使用的可控热氛围伴流燃烧器，建立了涡耗散概念(EDC)模型，结合甲烷详细反应机理GRI-Mech3.0和丙烷USC-MechⅡ详细反应机理的燃烧模型，利用标准k-ε湍流模型以及NOx生成模型，对甲烷和丙烷两种燃料在不同伴流氛围中的射流火焰燃烧特性及氮氧化物排放特性进行了数值模拟研究。通过计算结果与实验数据的比较发现，该模型的计算精度在伴流区域和火焰反应区域与实验数据的差异能够满足工程要求。采用数值方法计算了不同伴流条件下射流火焰的温度分布、化学反应组分分布以及氮氧化物生成特性，计算结果表明高温空气燃烧具有较均匀的温度分布以及较低的氮氧化物排放，在降低污染物排放的同时提高燃烧效率，在降低的火焰峰值温度的同时防止局部高温对燃烧设备材料和结构的破坏。　　针对高温空气燃烧技术的蓄热室的换热过程进行了数值模拟研究。建立了基于质量守恒和能量守恒的玻璃窑炉蓄热室单通道换热模型，根据窑炉的周期性边界条件，在模型中考虑了系统热损失，引入导热热阻因子进行修正，根据实验数据对换热模型进行优化，提高了模型的计算精度。研究了气流速度、换向时间、蓄热砖材料、蓄热砖壁厚等因素对蓄热室换热特性和换热效率的影响，计算结果与实际蓄热室的实验测量结果吻合较好。通过对该蓄热室换热特性的数值模拟，可以为优化高温空气燃烧的蓄热室换热过程和进行蓄热室的结构设计提供技术支撑。