层流预混火焰燃烧特性的研究对降低发动机污染物排放与稳定燃烧有重要意义。本论文采用球形火焰,进行了层流预混火焰传播特性与不稳定的实验研究。本研究的目标是:提高层流火焰速度测量精确度并探究其对火焰化学的敏感性;揭示火焰锋面不稳定与火焰加速全局振荡的物理控制机制。为进一步深入研究火焰传播与不稳定性特性指明方向。首先,采用氢气/空气和丙烷/空气火焰,研究了降低层流火焰速度测量中外推模型不确定度的方法。结果表明,外推模型的不确定度包括模型误差与随机性误差。模型误差可通过减小|Lb/Rf|来降低。固定工况下,减小|Lb/Rf|可通过增大火焰半径上界或下界来实现。根据实验数据定义了一个经验型参数Rf,new来表征整个半径范围,以便预测模型误差。同时,随机性误差由实验点的数目控制。其次,采用乙烯/空气火焰,研究了压力与当量比对火焰化学的影响。测量了宽压力与当量比范围下乙烯/空气火焰的层流火焰速度,并量化了不确定度。敏感性结果表明,压力越高,层流火焰速度对化学反应越敏感;主要反应的相对重要性受当量比影响显著,而对压力不敏感。之后,采用H2/O2/N2火焰,通过改变N2含量控制已燃火焰温度,研究了流体力学不稳定性、热质扩散不稳定性各自以及两者耦合对不稳定火焰形态与临界半径的影响。结果表明,大尺寸胞状结构受流体力学不稳定性控制,微小结构受热质扩散不稳定性控制;临界半径随压力升高、刘易斯数减小而显著减小,但对火焰温度不敏感。无量纲临界半径随刘易斯数减小而显著减小,对压力和火焰温度不敏感;此外,无量纲临界拉伸率随马克斯坦数增加而单调递减。最后,对火焰加速现象的研究发现,火焰传播分为三个阶段,即:平滑、转捩以及全局振荡阶段。全局振荡的频率随火焰锋面不稳定性增强而变大,这与假设中的全局振荡由胞状结构的生长与分裂引起相一致。在流体力学不稳定性与热质扩散不稳定性耦合作用下,氢气/空气火焰的全局振荡频率无量纲化之后对压力不敏感,但随刘易斯数减小而单调增加。这表明无量纲化消除了压力和火焰温度的影响。同时计算了转捩阶段与全局振荡阶段的加速因子,后者小于自湍流的预测值1.5。