近年来天然气作为清洁的一次能源受到了广泛的重视,而甲烷作为天然气的主要成分,由于其分子结构稳定和C-H键能高等特点使得燃烧反应条件苛刻,等离子体的加入有助于克服这些缺点;此外甲烷作为结构最简单的碳氢燃料,常用于等离子体辅助燃烧机理的研究,使得等离子体辅助甲烷燃烧成为了具有科学性和经济性且蓬勃发展的课题。目前等离子体辅助甲烷燃烧的相关研究未能全面探究各因素对助燃特性的影响,且现有研究在实验条件和燃烧特性对比上存在较大差异,本文针对以上存在的问题,通过物质匹配、空间匹配以及能量匹配的视角,展开了等离子体辅助甲烷燃烧的研究工作如下:首先,设计并搭建了能够实现多因素变化以及特性参数观测的等离子体辅助甲烷预混燃烧实验平台,进而对等离子体和燃烧诊断的方法及原理进行介绍,并发展了基于光谱分析的成像诊断方法,以及对等离子体辅助燃烧相关特性参数进行讨论和分析。其次,对等离子体辅助甲烷燃烧的物质匹配特性展开了研究,建立了甲烷空气混放电的等离子体化学模型,通过燃烧反应动力学仿真等理论研究手段,研究不同摩尔分数的放电产物O、H、CH3和O3作为初始反应物对甲烷空气预混燃烧的点火延迟时间及火焰传播速率等特性的影响,发现O、O3较H、CH3对燃烧特性影响更为显著;还进行了化学当量比变化对辅助燃烧特性影响的实验研究,发现预混气体中甲烷含量的增加会使得放电强度减弱、放电区域所拟合的气体温度Tg提高,同时在放电作用下不同化学当量比对应的火焰温度分布存在很大的差异。再次,对等离子体辅助甲烷燃烧的空间匹配特性展开了研究,进行了等离子体放电与燃烧火焰距离(即放电位置)以及预混气体流动速度等因素变化的实验研究工作,发现放电区域与燃烧区域之间距离的降低有利于促进燃烧反应进行,放电强度、燃烧反应温度以及火焰传播速度随之升高,但放电区域与燃烧区域间距过于靠近可能使原来的放电模式发生改变而导致增强燃烧的目的无法实现,故存在合适的放电与燃烧间距使得等离子体辅助甲烷燃烧的效果最佳,并使得等离子体放电与燃烧在空间上实现较好的匹配;在本文实验流速变化范围内(0.141m/s-0.915m/s),放电区域的特性几乎不随流速产生变化,而等离子体放电对低流速状态下甲烷燃烧反应的促进更为明显。最后,对等离子体辅助甲烷燃烧的能量匹配特性展开了研究,分别利用高频交流电源、纳秒脉冲电源以及微波电源进行了实验研究,高频交流电源激励下,电压的提高(17k V-24k V)相比频率的提高(38k Hz-50k Hz)更能增强放电强度,促进燃烧反应的进行;纳秒脉冲电源激励下,峰值电压(13k V-21k V)和重复频率(500Hz-3000Hz)的提高对等离子体放电的强度皆存在促进作用,进而促进了甲烷的燃烧反应;还设计了同轴微波谐振腔用于微波电源作为激励源的实验研究,结果表明微波电源输出功率的提高能够促进甲烷燃烧反应;通过对比三种等离子体激励源的实验结果,发现激励源的类型变化对燃烧特性的影响程度和影响方式存在较大的差异。本文的研究工作以物质匹配、空间匹配及能量匹配等视角较为全面地研究了各因素变化对辅助燃烧影响的规律,利于促进对等离子体辅助甲烷燃烧的认识,寻找合适的助燃方式。此外本文基于光谱分析的成像诊断思路以及诊断方法,还可以用于其他等离子体辅助燃烧的研究工作。