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碳烟颗粒是碳氢燃料在不完全燃烧过程的主要固态产物,对燃烧设备、气候环境及人体健康有着不同程度的危害;然而碳烟颗粒自身特有的光学辐射特性及材质结构对工业生产有着积极作用。为对碳烟颗粒的有效控制与利用,研究者们需要深入研究不同含碳烟火焰的燃烧过程与现象。本文从碳烟检测技术着手,最终选择接触式测量中的热电偶颗粒密度法(TPD)及热泳力探针取样法(TSPD)为主要的实验方法,以实验室中的甲烷/氧气预混火焰为研究对象,针对不同火焰工况、不同火焰空间位置处进行火焰温度测量与碳烟颗粒体积分数的计算;同时观察并处理透射电子显微镜(TEM)采集的二维图像,量化各工况下的碳烟的微观结构及形貌特征。本文的主要研究工作及主要结论如下:(1)建立了以McKenna燃烧器为主的燃烧系统,实现燃烧工况的可控及火焰高度的可控;建立TPD系统,实现火焰温度数据的稳定采集及记录,同时可利用其温度数据进行火焰温度修正及碳烟体积分数计算;建立TSPD系统,实现对含碳烟火焰的定时、定位取样功能,且对于取样的空间位置及取样时间灵活可调;(2)TPD系统中,根据热电偶在预混反馈可将火焰分为无碳烟区域与含碳烟区域;TPD技术能够在含碳烟大部分区域进行碳烟浓度检测,并在全域内进行反馈温度信息;在含碳烟区域内,热电偶温度变化曲线在结束传统的三个阶段(“温度响应阶段”、“变发射率阶段”及“变直径阶段”)之后,存在全新的“直径稳定阶段”;(3)对比LE测量结果,在碳烟初生区域(HAB=3～7mm)内TPD测量值会由于“直径稳定阶段”导致测量误差加剧;在高于碳烟初生区域(HAB>7mm)后,TPD测量值与LE值吻合较好;C/O比与出口流速共同影响着影响“直径稳定阶段”的出现时间,在碳烟初生区域内,“直径稳定阶段”的出现时间主要由C/O比主导;(4)TSPD法的实验结果表明,在燃烧过程初期,基本碳烟颗粒的表面增长速率大于其氧化速率,基本碳烟颗粒粒径由20nm(HAB=10mm)增长至29nm(HAB=25mm);随着燃烧过程的进行,其表面增长速率与氧化速率差异缩小,平均颗粒粒径增长率由28.83%降至5.65%,表面增长速率依旧大于其氧化速率,直至基本碳烟颗粒粒径达到最大值,约30nm;(5)对高倍电镜拍摄的TEM二维图像进行处理。由TEM图像可知,随着燃烧过程的进行,碳烟颗粒物内部单颗粒结构逐渐富有规则;使用分形维数进行量化,在目标工况下,分形维数由1.62降至1.39,表明碳烟颗粒团聚体结构其整体结构不断趋于松散状。