随着时代的发展,能源的消耗成为了经济发展的重要支撑,同时,能源低效利用以及由此带来的环境污染制约着经济的持续增长。为了实现经济与环境的协调发展,必须开发高效率、低排放的燃烧技术。多孔介质燃烧（PMC）是一种新型的燃烧技术,火焰在固体基体的多孔空隙内燃烧,与传统的自由空间燃烧相比,PMC拥有结构紧凑,功率变化范围大,排放水平低等特点。本文对多个尺寸的颗粒堆积结构进行了实验测试、数值模拟及理论分析,主要的工作由以下几个方面展开:首先,本文自行设计搭建了PMC实验平台,以有序堆积的直径为40mm、20mm的氧化铝颗粒及随机堆积的直径为5mm、10mm、15mm氧化铝颗粒为研究对象,在进行预热后实现目标工况下的自维持燃烧。通过改变入口及预热条件,测试甲烷/空气预混气体在其中进行过滤燃烧的火焰特性参数,包括:有序堆积床中燃烧稳定性及火焰移动条件、排放水平及燃烧效率,随机堆积床中燃烧波高度、火焰最高温度、火焰传播速度、排放水平等。接着,以实验中堆积模型为基础,基于Openfoam平台,利用离散元软件LIGGGHTS对颗粒的重力堆积过程进行模拟,从单元体的发射、自由下落、碰撞到最低势能点,得到与实验模型相似的几何模型重现。以CFD仿真软件Fluent 19.0为工具,建立与实验同尺寸的燃烧器,采用涡-耗散-概念（EDC）模型计算了甲烷/空气预混气体在随机堆积床中的燃烧过程,并提取一部分重要参数与实验数据进行对比验证。对堆积床中大于等于1300K且整百的温度等值面进行提取,表示燃烧的火焰面,对堆积床中温度分布、压力分布、组分分布随火焰燃烧过程的变化进行了分析。经过实验与数值模拟研究,得到以下结论:第一,基于有序堆积床的实验分析:40mm、20mm堆积床能够提供驻定火焰,火焰的驻定与移动和当量比、流速、预热区位置有关:在当量比?为0.35-0.75、入口速度Vin为10m/s～30m/s范围内,Vin小于15m/s时,?越小,火焰的移动由预热区主导;?越大,火焰在球4区驻定燃烧或回火;Vin大于20m/s时,火焰的移动由当量比主导,?越小,火焰越容易往下游移动;?越大,火焰越容易往上游移动,但不易产生回火现象。此外,?小于0.6时,40mm堆积床中CH4转化率高于20mm堆积床;?大于0.6时,两者CH4转化率相近。40mm堆积床在测试工况1(?=0.6,Vin=10m/s)下燃烧效率最高。第二,基于随机堆积床的实验分析:在工况4下,5mm堆积床中火焰最高温度随火焰传播过程减小,在传播期内火焰传播速度加快;而在10mm、15mm堆积床中火焰最高温度随火焰传播过程增大,在传播期内火焰传播速度减慢;15mm堆积床中,火焰在燃烧后期表现为堆积床内部的驻定燃烧,随着上游颗粒的温度降低,过滤燃烧的效率降低。第三,基于随机堆积床的数值分析:颗粒直径越大,火焰传播速度越慢。10mm堆积床中火焰表面积随火焰传播进行的变化最平稳。过滤燃烧初期,堆积床中压力梯度变化较快,火焰燃烧中后期,堆积床中压力梯度变化趋于稳定,5mm颗粒堆积床中压力值最大,10mm与15mm堆积床中压力分布相近。CO浓度在火焰面附近达到峰值,10mm堆积床中CO浓度峰值随火焰传播进行而降低;15mm堆积床中CO浓度峰值随火焰传播进行而微弱增大。