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层流预混火焰是自然界中最简单的火焰,是研究湍流扩散火焰的基础。负压条件下火焰的反应区厚度会增宽,可以通过光学测量技术手段得到更细致全面的火焰结构。高空冲压发动机内由于为低压或负压,燃烧效率低,易于出现燃烧不稳定。本文主要通过试验手段,并辅以数值模拟对负压下层流预混火焰结构进行研究。为了研究负压下压力、当量比、应变率等的变化对甲烷空气层流预混火焰结构的影响,建立了平面火焰和对冲火焰试验系统以及自发辐射和OH-PLIF光学测量试验系统等。数值模拟采用Chemkin软件和GRI-Mech3.0甲烷空气燃烧反应模型,并加入激发态粒子OH*、CH*和C2*的反应机理,主要分析了压力、当量比、以及应变率对激发态粒子浓度分布的影响。在数值模拟结果的基础上,通过自发辐射和OH-PLIF试验研究了压力、当量比和应变率对火焰结构的影响。研究发现OH*和CH*的光强峰值随压力的变化而变化,C2*则不变;随着当量比的增长,OH*的光强峰值先增大后减小,CH*变化无规律,C2*逐渐增大,OH基逐渐减小;OH*、CH*、C2*和OH基的光强峰值随应变率的增长都是先增大后减小。论文采用自发辐射和火焰光谱研究了负压下层流预混火焰的部分特征参数如热释放率和火焰当量比。研究发现OH*在平面火焰和对冲火焰条件下都能用来标识热释放率,CH*在部分火焰中也能标识热释放率,C2*则不能;火焰当量比的研究发现OH*/CH*的比值可以用来推断富燃甲烷空气火焰当地当量比,而C2*/CH*的比值可以用来推断贫燃甲烷空气火焰当地当量比。