氢气来源广泛、燃烧清洁且可再生,是较为理想的内燃机替代燃料。但氢气在内燃机中燃烧时会产生大量的NOx排放。本文通过试验和仿真相结合的方法对氢-空气化学反应机理以及定容燃烧弹内的氢-空气混合气燃烧和排放特性进行了研究。利用化学反应动力学分析软件CHEMKIN研究了氢-空气混合气的预混燃烧化学反应过程,分别采用生成物敏感性分析、氧化路径分析和温度敏感性分析法对GRI-3.0的详尽机理进行了简化,最终得到了包含24步基元反应的H-O-N简化机理。经过试验验证采用简化机理计算的层流燃烧速度最大误差为8%,数值计算速度相对详尽反应机理提高了7倍。基于CONVERGE软件建立了定容燃烧弹三维模型,并将简化机理作为燃烧模型的机理。经试验验证采用该模型计算的不同当量比下火焰传播速度最大误差为7%,能够用于定容燃烧弹内的燃烧模拟。基于该模型模拟了不同工况下氢-空气混合气的燃烧过程。发现NO浓度和温度在火焰截面的径向分布规律相似,都是火焰中心最高,向未燃区逐渐减小。温度低于1800K的区域内,生成NO浓度范围相差较大,高于2000K的高温区域内NO浓度分布比较均匀。浓度对已燃区的最高温度影响较大,而初始温度只是对燃烧初期温度有较大影响,对燃烧后期影响较小。当φ=0.5,N₂稀释率由0增加到20%时,OH和NO分别下降了73%和68%,N₂稀释率为30%时,火焰出现熄灭现象。利用OH-PLIF测试手段获得了不同工况下的OH分布图像,数据分析结果表明,在φ=0.5时,表征OH浓度的灰度值随时间的变化情况与仿真计算的OH浓度分布变化规律十分相似。随着燃烧发展,火焰中心的OH浓度逐渐减小,火焰前锋面OH浓度最高,前锋面外围的预燃区存在低浓度OH圈。随着当量比的增加,火焰前锋面的褶皱尺度减小即燃烧稳定性增强,火焰厚度会减小。初始温度的变化对燃烧稳定性和火焰厚度影响较小。采用N₂和N₂+H₂O稀释都会抑制燃烧,随着稀释率的增加,火焰的燃烧和传播速率都会减小,且OH的生成也会显著减小,当N₂和N₂+H₂O稀释率都为20%时,火焰右半区的灰度值总和分别下降了46.5%和76.5%,表明N₂+H₂O稀释对燃烧的抑制作用强于只采用N₂稀释。