能源的日益短缺和环境污染的逐年加剧正在成为世界性难题,内燃机作为石油资源的消耗主体和大气环境污染的主要源头,其发展方向和当前的能源与环境形势密不可分。近些年低热值气体燃料发动机因为其燃料来源丰富以及排放清洁成为了研究的热点。由于燃用低热值气体时发动机更容易出现失火和不稳定燃烧,发动机的循环变动加剧,而火花塞周围的火焰形成及火焰的不稳定性则是导致发动机不稳定燃烧和缸内循环变动的重要内在因素。为了进一步深化研究造成低热值气体燃料发动机不稳定燃烧的原因,本文以流体动力学不稳定性和热-质扩散不稳定性共同作用下的低热值气体燃料掺氢层流火焰的形成、发展和演变过程为研究重点,开展了低热值气体燃料掺氢层流火焰的实验研究和直接数值模拟研究。研究工作阐明了内在不稳定性作用下的低热值气体燃料掺氢火焰面形态以及火焰胞状结构的产生,生长,破裂,融合等多种动力学形态演变历程,揭示了低热值气体燃料掺氢胞状火焰演变的机理以及关键影响因素与火焰不稳定性的内在联系,为低热值气体燃料掺氢发动机的设计和开发提供理论依据。开展了气体燃料火焰线性稳定性的研究。建立了耦合两步化学反应的气体燃料火焰线性稳定性的控制方程,考虑了活化能和Lewis数等参数的影响,采用打靶法和四阶龙格库塔法相结合的方法对控制方程进行了数值求解,得到了临界波数和不稳定性边界波数随着不同初始参数的变化规律；建立了加入了热膨胀修正的色散关系表达式。开展了低热值气体燃料掺氢火焰的直接数值模拟研究。建立了考虑多组分扩散的气体燃料燃烧控制无量纲方程,推导了适于本文计算的二维低热值气体燃料预混燃烧控制方程组的特征无反射边界条件,对控制方程进行了直接数值模拟耦合详细化学反应机理求解,得到了施加微小初始扰动后的低热值气体燃料掺氢火焰在不稳定性影响因素下的演变规律。对低热值气体燃料掺氢火焰进行了直接数值模拟研究分析,研究了不同稳定性作用下火焰的发展,获得了多种胞状火焰演变形式,如胞的分裂、局部熄火、胞的融合和横向移动等：对火焰稳定性进行多因素分析,揭示了决定胞状火焰演变形式的机理；分析了不同稳定性影响因素作用下的火焰速度以及其与曲率的相关性；从频谱空间角度研究了火焰发展后期胞状火焰演变规律,获得了不同初始胞数模式下胞状火焰模式的演变规律。开展了定容燃烧弹内的低热值气体燃料层流燃烧特性和火焰稳定性的研究。搭建了定容燃烧弹实验系统,分析了不同初始条件下的火焰层流燃烧速度的变化趋势：通过对火焰不稳定性表征参数的分析和对火焰进行现象学分析获得了不同稳定性机理占主导作用时的胞状火焰图像和胞状火焰结构特点；对胞状火焰出现的自加速现象进行了量化的研究,得到了低热值气体燃料掺氢胞状火焰的自加速指数和临界半径,分析了胞状火焰的分形特征。