发展基于燃烧的便携式微型应急或备用能源系统具有重要现实意义。由于运行噪音小、无机械摩擦损耗、结构简单紧凑等优点,微型热光伏和热电系统受到众多研究人员的关注。多孔介质燃烧具有壁面温度高且均匀、氮氧化物排放低等优点,能够显著提高系统效率。微型能源系统燃烧器特征尺度小,流动滞留和化学反应时间短,因而存在壁面温度均匀性和火焰稳定性问题。“双碳”目标和能源结构一方面要求基于化石燃料燃烧的能源系统降低氮氧化物排放,另一方面要求逐步使用清洁燃料。本文提出了渐扩型和带有钝体火焰稳定器的新型氢气多孔介质燃烧器及低排放甲烷多孔介质燃烧器,利用数值模拟和实验方法系统研究了燃烧器结构、多孔介质填充方法、物性及运行参数等对燃烧器壁面温度和火焰稳定性的影响,旨在深入理解多孔介质燃烧特性,指导微型能源系统燃烧器设计。本文主要工作如下:首先,对多孔介质燃烧的数值建模进行了比较研究。选取了最典型的六个多孔介质固体与流体之间对流换热经验关联式,研究其对温度分布和火焰的影响,确定了适合丝网多孔介质的最佳经验关联式用于后续研究。并通过研究进口速度和孔隙率对多孔介质燃烧的影响揭示了孔隙率变化过程中速度和传热两种影响因素主导地位的变化对火焰位置的决定性作用,指出了多孔介质燃烧在高进口速度和低孔隙率下的火焰驻定问题和壁面温度均匀性问题。其次,针对小尺度空间内多孔介质燃烧稳定燃烧范围窄的问题提出了渐扩型多孔介质燃烧器。通过数值模拟研究了当量比、进口速度、壁面热导率、多孔介质固体热导率和通道扩张比对辐射效率和稳定燃烧范围的影响,为燃烧器设计提供了指导:较小壁面热导率有利于辐射效率和稳定燃烧范围的提升,而在选择多孔介质固体热导率和通道扩张比时,辐射效率和稳定燃烧范围之间存在折衷。回热强化和流场特性使渐扩通道在当量比为0.6和0.8时的吹熄极限较直通道分别增加了 167%和186%。本文提出的净回热效率可揭示多孔介质对温度场的影响规律,发现超焓燃烧临界净回热效率为18.2%。此外,本研究还阐述了多孔介质燃烧中温度滞后现象的发生机制。再者,提出了带有钝体火焰稳定器的多孔介质燃烧器来进一步提升壁面温度和吹熄极限。结果表明,当量比为0.6、0.8、1.0、1.2时的吹熄极限分别提升了33%、19%、12%、20%,且在高进口速度或低当量比下性能更优。本文通过引入壁面—气体对流换热效率、多孔介质固体—气体对流换热效率和钝体火焰稳定器—气体对流换热效率揭示了不同当量比和进口速度的回热特性,阐明了吹熄极限提升的机制。最后,为了降低贫燃极限和氮氧化物排放,提高系统功率输出范围和效率,本文提出了基于多孔介质燃烧的微型热电系统并对其进行了实验研究。实验获得的甲烷贫燃极限为0.46,是现存文献最低值,给出了多孔介质沉浸燃烧的临界贝克莱数54。通过引入回热效率,分析了当量比和进口速度对系统效率的影响规律。此外,本文设计了四种局部填充多孔介质的布置方式,发现下游多孔介质利用热沉效应提高了壁面温度和系统效率。同时系统在贫燃状态下氮氧化物排放较高当量比工况降低2/3。