在可持续、可靠和经济高效的能源发展建设中,氢气以其优越的特性在众多可再生清洁能源中脱颖而出。2020年我国国家发展改革委、司法部印发《关于加快建立绿色生产和消费法规政策体系的意见》的通知中明确提出,将研究制定氢能等新能源发展的标准规范和支持政策。目前学者认为将氢气混合到现有的天然气管网中是增加可再生能源系统产量的一种手段。美国国家可再生能源实验室提出混合20%以内(体积分数)的氢气到现有天然气管网中以存储和输运氢气,既不会增加终端用户设备的使用风险,又不会危害现有管道的完整性和耐久性。本人参与的国家重点研发计划政府间科技创新重点专项(科技部)“氢能利用中安全泄爆研究项目(编号:2016YFE0113400)”,对氢气与甲烷混合后的安全问题也开展了研究。本文通过对国内外掺氢甲烷火的文献调研发现,国内外对掺氢甲烷火的研究主要集中在富氢甲烷火的火焰长度、温度、火焰稳定性和污染物排放等方面,而对于掺混不超过20%氢气时氢气体积浓度对氢气-甲烷火灾特征参数的模拟和实验研究均较少。其中对混合气体燃烧的模拟研究也需要不断地研究和改进。因此,为了探究掺混低浓度氢气对掺氢甲烷火燃烧特性的影响,本文通过实验和数值模拟研究了氢气体积浓度在0%到20%之间的掺氢甲烷池火和欠膨胀掺氢甲烷喷射火。为了给数值模拟提供数据支持,本文自主搭建了实验研究平台,用来探究不同氢气浓度对掺氢甲烷池火燃烧特性的影响。所有实验均在0℃、101325Pa的环境下进行。实验过程中通过流量控制器控制氢气和甲烷的气体流量,采用数码相机和数码相机拍摄火焰形态以获取火焰高度,此外分别使用K型热电偶和辐射热流计测量了火焰的中心线温度和火焰辐射。实验中通过改变氢气和甲烷的流量来控制混合气体的配比,揭示了不同体积比的掺氢甲烷池火燃烧特性。本文的数值模型是基于Open FOAM平台,在大涡模拟(LES)框架下,燃烧模型为本课题组改进的涡耗散概念(EDC)燃烧模型,其特点是改进了基于“全局”概念的无限快反应速率。本文的辐射模型,结合了灰气体模型的权重之和作为发射/吸收系数,利用有限体积离散纵坐标模型来计算辐射传热。本文的具体研究研究工作如下:研究验证了数值计算模型。本文模拟了国内外纯甲烷火、掺氢丙烷火、欠膨胀火以及本文的掺氢甲烷池火实验,验证了数值计算模型的可靠性,并提出了数值模型的局限性。研究验证了Heskestad模型、Mc Caffrey温度模型、Schefer模型和Studer辐射模型等经验模型的可靠性。研究揭示了氢气体积浓度(0%-20%)对掺氢甲烷池火行为的影响。本文通过改变混合气体中的氢气体积分数,对不同掺氢甲烷池火的火焰高度、中心线温度、火焰辐射以及烟颗粒体积分数等燃烧特性进行了比较研究,总结了各个燃烧特性的变化规律,并对燃烧特性的变化进行了解释。研究探讨了不同燃烧器尺寸对掺氢甲烷池火行为的影响。本文分别模拟了直径10cm、20cm和30cm三种不同燃烧器的掺氢甲烷池火,对不同尺寸燃烧器的掺氢甲烷池火的火焰高度、中心线温度、火焰表面发射功率以及烟颗粒体积分数进行了对比,总结了各个燃烧特性的变化规律,并对燃烧特性的变化进行了解释。研究揭示了氢气体积浓度(0%-20%)对欠膨胀掺氢甲烷喷射火行为的影响。本文分别模拟了五组不同氢气体积分数的欠膨胀掺氢甲烷喷射火,解释了火焰形态、火焰高度、中心线温度、辐射分数和烟颗粒体积分数等燃烧特性的变化规律。