天然气作为一种清洁替代燃料,受到了广泛的关注。对于天然气–柴油双燃料发动机,在滞燃期内气缸中将预混形成一定量的天然气–柴油–空气混合物,其预混燃烧将对发动机的运行产生重要影响。目前,关于天然气–柴油预混层流燃烧特性的认识尚不充分,对其进行研究可为天然气–柴油双燃料化学动力学机理的验证和完善以及发动机缸内湍流燃烧研究提供重要支撑。天然气和柴油都是复杂复合物,本文以甲烷和正庚烷分别作为两者的替代物,结合球形传播火焰试验和一维平面火焰数值模拟,研究了不同初始条件（当量比、初始压力和温度）和甲烷含量下甲烷–正庚烷混合物的预混层流燃烧特性,并从化学动力学的角度对燃烧过程进行了分析,此外,基于分形理论研究了混合物球形火焰的传播特性。本文的具体研究内容和获得的主要结论如下:（1）甲烷–正庚烷球形火焰试验数据处理过程中,Canny边缘检测算子被用于检测纹影图片上火焰的前锋面边缘,并选择面积法用于火焰半径的计算。通过甲烷–正庚烷火焰拉伸传播速度与拉伸率之间线性与非线性倒拖模型的比较可以看出,非线性的拟合线与试验数据点之间具有更合理的一致性。本文也对球形火焰试验的误差进行了数学上的推导和分析。此外,在甲烷–正庚烷一维平面火焰数值模拟中,为了保证模拟精度,本文通过控制数值解的梯度和曲率值以使数值解中的网格点数在450个以上。（2）甲烷–正庚烷混合物的层流燃烧速度随当量比的提高而先增大后减小,随初始压力的提高而逐渐减小,随初始温度的提高而不断增大。本文基于预混层流燃烧理论,结合绝热火焰温度、反应阶次等参数也分析了初始条件对混合物预混层流燃烧速度产生影响的机制。此外,根据不同初始条件下甲烷–正庚烷火焰的有效Lewis数以及热膨胀比和火焰厚度等参数,可以看出,在所研究的试验条件范围内,当量比的改变对火焰的热扩散和流体力学不稳定性均存在影响;压力的提高主要改变了火焰的流体力学不稳定性,而对热扩散不稳定性的影响较小;提高初始温度时,火焰热扩散性和流体力学不稳定性变化均不显著。（3）甲烷–正庚烷火焰的层流燃烧速度和火焰不稳定性（Markstein长度）随甲烷含量的变化呈现出显著的非线性特征:当甲烷含量低于某一值时,层流燃烧速度和火焰不稳定性基本保持不变,只有当甲烷含量较高时,两者才开始发生相对显著的变化。当用甲烷的质量分数和能量分数来表征甲烷含量时,甲烷–正庚烷混合物的层流燃烧速度和火焰不稳定性随甲烷含量的变化呈现出一定的线性特征。（4）甲烷–正庚烷平面火焰中,混合物的温度、摩尔数和流速在穿过火焰面后迅速增大,而密度在穿过火焰面后迅速减小,且其变化幅度与初始条件以及甲烷含量存在一定的关系。放热率峰值随当量比的提高先上升后下降,随初始压力和温度的提高不断上升,随甲烷含量的提高不断下降,峰值对应的温度靠近燃烧的高温区域。对于甲烷–正庚烷火焰,显著影响燃料层流燃烧速度的基元反应均是小分子的反应;并且,主要自由基的浓度峰值和主要基元反应的反应速率峰值随甲烷含量的变化相对较复杂,但随当量比的提高先增大后减小,随初始压力的提高,前者不断减小,后者逐渐增大,两者受初始温度的影响较小。（5）依据一维平面火焰数值模拟结果,提出了全局反应路径分析的方法,然后基于简化机理对甲烷、正庚烷的反应路径进行了分析,结果表明,纯甲烷火焰中,甲烷主要生成CH₃,并且,其与OH反应消耗的甲烷量最大。CH₃的消耗路径主要有四条,其中最重要的一条路径是CH₃与O反应生成CH₂O,然后经HCO生成CO和CO₂。正庚烷火焰中,正庚烷首先与H、OH反应生成4种C₇H₁₅同分异构体,然后经过裂解等过程,最终生成多种C1到C3组分。在C1-C2组分的反应层级上,与CH₄的氧化过程相比,多了一条主要反应通道,即C₂H₄脱氢依次生成C₂H₃、C₂H₂,最后变成HCCO。当甲烷和正庚烷混合燃烧时,甲烷的存在将改变由正庚烷生成的4种同分异构体(C₇H₁₅)的裂解过程,并抑制C₂H₅与自身作用生成C₄H₁₀的反应,但将促进C₂H₅与CH₃反应生成C₃H₈的过程。（6）针对甲烷–正庚烷球形火焰,分析和比较了盒维法、圆规法和圆环面积法计算火焰分形维数的过程,结果表明盒维法计算的火焰分形维数较合理。在此基础上,基于分形维数分析了不同初始压力和当量比条件下甲烷–正庚烷火焰的传播特性,结果表明,当火焰面上的裂纹整体逐渐增多时,火焰的分形维数整体不断上升,能够反映出火焰的不稳定性逐步增强。此外,结合分形维数随火焰半径的变化规律分析,说明分形维数可用于定量分析球形火焰从层流向湍流的过渡状态。