利用自主设计和搭建的1 m3矩形泄爆系统, 开展了顶部点火条件下7%～13%浓度范围的甲烷-空气预混气体泄爆实验, 研究甲烷浓度对泄爆过程中火焰演化和内部超压特性的影响规律, 并结合压力时程曲线和火焰演化图像等进行机制分析, 研究结果表明: 浓度对甲烷-空气预混气体的泄爆特性有显著影响, 在特定甲烷浓度下, 容器内部超压出现双峰现象, 在各浓度下均出现压力峰值P1, 而压力峰值P2仅在浓度为9%出现。各浓度均出现的第一压力峰值P1随着浓度的增加呈现先增大后减小的趋势, 而该峰值出现时间的变化趋势却与之相反, 两者均在甲烷浓度10%下取得极值。这一现象主要由初始火焰传播、外部爆炸、亥姆霍兹振荡和泰勒不稳定性等因素综合影响形成。仅在甲烷浓度9%出现由火焰与声波耦合作用诱发产生的声学峰值P2, 该峰值远大于压力峰值P1; 其主要由火焰和声压的相互促进与扰动触发热声耦合作用影响形成。火焰向下传播速度随浓度呈先增加后减小的趋势, 在甲烷浓度10%时达到最大值, 且稍富燃状态下燃烧速度总体较快。

温度是评估弹药热辐射毁伤的重要参数。 弹药在引爆后会在极短时间内压缩周围空气并向四周猛烈释放出大量能量, 伴随着能量释放弹药介质会急剧升温并形成火焰场, 通过测量、 分析火焰场的真温值, 便可以得到爆炸火焰的空间热辐射毁伤效应。 由于爆炸过程的强破坏性和瞬态性, 爆炸火焰的测量主要是依靠辐射测温法。 在以往研究中, 已有学者针对爆炸火焰测量研制了相应的辐射测温仪器, 但目前所研制的仪器只能测量出爆炸火焰在单波长下的亮温场, 而单波长亮温场无法实现真温值的计算。 针对这一问题, 研制了一套多光谱热成像仪, 该仪器采用多幅分光技术, 可实现爆炸火焰在同时刻、 不同波长下的分光成像, 并利用高速CCD相机进行数据采集, 最后依据多光谱辐射测温理论反演出爆炸火焰真温场。 多幅分光技术是由远距离多孔分光镜头所完成的, 该镜头主要分为两个部分: 主成像镜头和分光镜头。 主成像镜头的功能是对远距离爆炸火焰进行聚焦成像, 其所成图像经由单凸透镜汇聚到正后方的多孔分光镜头上。 多孔分光镜头内置分光光栏, 光栏上可镶嵌不同波长的窄带滤光片, 当入射光透过光栏上的窄带滤光片后, 透射光便为被测目标的单波长辐射能量。 远距离多孔分光镜头可对500 m以内的爆炸火焰进行成像, 并依据实际需求将分光光栏设计为四分光结构, 同时为方便滤光片更换将分光光栏做成了可插拔的形式。 该镜头自重约为0.75 kg, 可通过法兰片直接安装在高速CCD相机上, 完全满足野外测量要求。 为验证仪器的有效性, 对1.660 9 kg的TNT进行了爆炸火焰真温场实验。 实验结果表明: 在爆炸后0.1 ms时出现最高温度值3 251 K, 随着时间推移, 真温场逐渐扩大, 但其最高温度值在逐渐降低; 当时间为0.6 ms时, 最高温度值为2 483 K。

乙腈广泛应用于医药、 化工等领域, 而乙腈属于易燃易爆化学品, 其引发的火灾事故具有极大的危害。 研究乙腈燃烧的温度场与浓度场、 火焰辐射光谱以探究其火灾污染特性具有重要实用价值。 首先采用平面激光诱导荧光技术（PLIF）与Fluent数值模拟方法, 获取了5 cm尺度乙腈池火燃烧产物NO在20、 40、 60和80 s时刻的空间浓度值, 并结合CFD与FDS仿真模拟获取了不同时刻下乙腈燃烧温度场与浓度场信息。 其次, 采用所获取的乙腈火焰温度场和浓度场数据（将火焰划分为6个热力学平衡区域）, 并基于HITRAN数据库内高温气体分子吸收系数与火焰总体辐射传输方程构建了乙腈火焰光谱辐射模型。 再次, 将所得乙腈浓度场与温度场数据代入火焰光谱辐射模型, 模型模拟计算结果与相同条件下乙腈火焰光谱实测数据进行对比, 以验证模型精度, 然后再与Radcal模型进行精度对比。 最后, 利用自行构建的火焰光谱辐射模型对燃烧特征污染产物NO进行了浓度反演。 结果表明: （1）5 cm尺度乙腈池火火焰温度范围为400～1 000 K, 在池火上方60～80 mm区域温度较高, 最高温度为945 K。 （2）在20、 40、 60和80 s时刻下5 cm乙腈池火燃烧产物NO的体积分数为0.005%～0.025 5%, H2O的体积分数为0.034 5%～0.062 5%, CO2的体积分数为0.055 5%～0.085 5%。 （3）自行构建了乙腈火焰光谱辐射模型, 模型模拟值与实测值对比得出, 燃烧产物中CO2特征峰处准确度最小为86.8%, 最大为88.7%; NO特征峰处准确度最小为79.6%, 最大为84.9%; H2O特征峰处准确度最小为84.6%, 最大为89.1%。 与Radcal模型计算的光谱辐射值进行对比, 自行构建的模型计算精度提升约10%。 （4）在5.62～5.66 μm主导波段, 乙腈燃烧特征产物NO在20、 40、 60和80 s时刻下的浓度反演精度分别为76.9%、 78.5%、 94.7%和81.3%。 此研究可为探测大尺度乙腈类化学品火灾的燃烧场信息以及遥感定量反演燃烧污染产物浓度提供基础与参考。

为了实现高分辨率的三维温度测量技术, 提出了一种基于光学相干层析的三维温度测量技术。根据气相火焰的散射特点, 建立相干测量火焰温度场的数学模型, 通过数值模拟两种雷诺数(Re=10 000, 20 000)下的Sandia Flame D三维温度场, 以及光学相干层析在上述两种工况下测量的三维温度场。模拟结果表明：在设定的模拟条件下, 对于低湍流程度火焰, 光学相干层析相干长度小于火焰最小尺度, 三维温度场测量具有一定的可行性。这将为光学相干层析测量三维温度场分布提供理论依据。

火焰燃烧参数能直接反映火焰燃烧状态, 并对燃烧过程进行诊断、 预测和优化。 火焰温度及辐射率是燃烧状态的重要表征参数, 火焰温度及辐射率的准确测量对于建立燃烧模型、 优化燃烧过程和控制污染物排放有着非常重要的意义。 随着数字图像技术与光谱学的发展, 多光谱成像技术逐步应用于火焰燃烧温度及辐射率测量。 针对光谱仪空间分辨率低和RGB彩色相机光谱分辨率低的问题, 多光谱成像技术能获得兼顾空间分辨率及光谱分辨率的火焰光谱图像, 实现火焰温度及辐射率分布测量, 具有高时空分辨率、 响应快速及测温范围宽等优点。 因此, 提出了基于多光谱成像技术的火焰温度及辐射率测量方法, 搭建标准高温黑体辐射实验测量系统, 对多光谱相机665～960 nm波段开展高温黑体辐射响应系数标定实验, 获得多光谱相机25波段光谱响应标定系数, 通过四阶多项式拟合建立多光谱相机各波段下仪器响应值与理论辐射强度之间的关系, 并开展多光谱成像技术测量验证实验, 结果显示温度与辐射率测量的相对偏差分别小于1%与4%。 在此基础上, 以蜡烛火焰为研究对象, 建立了火焰多光谱成像测量系统, 获得了蜡烛火焰多光谱辐射图像, 基于普朗克辐射定律参数拟合方法, 实现了蜡烛火焰温度与辐射率分布测量。 测量结果表明： 火焰竖直平面上火焰中心区温度及辐射率均高于火焰上部和底部; 蜡烛火焰温度测量结果范围约为1 350～2 050 K, 火焰中心区最高温度约为2 050 K; 蜡烛火焰辐射率测量结果范围约为0.04～0.36, 火焰中心区最高辐射率为0.36。 测量结果与蜡烛火焰燃烧过程及辐射特性分布规律一致。

针对生成对抗网络生成火焰图像质量不高、颜色难以控制的问题，基于HistoGAN算法，提出一种新的火焰生成算法（fire-GAN）。首先，在图像预处理环节添加火焰图像分割，使网络不受背景的干扰，能有效减少生成火焰发生形状变形、颜色失真的情况；其次，提出圆形度损失函数，使网络在训练过程中更加关注火焰轮廓的复杂度；最后，在生成器和判别器中均采取数据增强，使网络在训练过程中保持稳定，避免发生梯度爆炸。经实验测试，fire-GAN生成的火焰与目标火焰的RGB平均误差为2.6%，Fréchet inception distance（FID）为59.23，inception score（IS）为2.81。实验结果表明，fire-GAN能生成与目标火焰图像颜色相近、清晰度好、真实性高的火焰图像。