随着全球能源危机的不断加剧以及环境污染问题的日益严重,提高化石燃料燃烧效率、减少化石燃料燃烧过程中污染物的生成和排放成为研究的热点。化石燃料燃烧过程中产生的碳黑不仅危害自然环境和人体健康,还在其他污染物的形成过程中扮演着重要的角色。因此,对碳黑的形成和演化进行研究有助于控制燃烧过程中污染物的生成和排放,而开发先进的碳黑形貌、浓度检测技术是揭示碳黑生成机理非常有效的途径。另外,辐射是高温燃烧系统中最主要的热量传递方式,辐射参与介质辐射特性的获取是求解辐射传递方程的关键。因为碳黑是燃烧系统中重要的辐射参与介质,所以火焰中碳黑辐射特性的检测对精确模拟燃烧系统内的辐射换热具有重要意义。由此可见,有必要开展火焰中碳黑形貌特征和辐射特性等方面的检测研究。本文针对不同的火焰对象分别提出了有效的检测技术,对火焰中碳黑的形貌特征和辐射特性进行了研究。首先,提出了一种能够检测碳氢火焰中碳黑团聚物形貌特征的有效反演方法。通过图像法测量了火焰中碳黑团聚物吸收系数的分布,紧接着,使用粒子群优化算法(Particle Swarm Optimization,PSO)从检测得到的吸收系数中反演出了碳黑团聚物的初始颗粒粒径、数目以及体积浓度。同时,采用热泳取样-透射电镜(Thermophoretic Sampling Particle Diagnostic-Transmission Electron Microscopy,TSPD-TEM)分析技术验证了通过所提出的方法反演得到的碳黑团聚物的形貌参数。结果表明通过所提出的反演方法计算得到的碳黑团聚物的形貌参数与TSPD-TEM技术检测的结果吻合得很好,证明所提出的反演方法是可靠的,能够准确地反演碳黑形貌参数。然后,反演得到了两种不同气氛下产生的火焰中碳黑初始颗粒粒径、数目以及体积浓度的分布,并且探讨了燃烧条件和碳黑形成机理对这些形貌参数分布规律的影响。其次,提出了一种同时重建层流扩散乙烯/空气火焰中碳黑温度和辐射特性参数的反演算法。首先,验证了所提出的反演方法在考虑和不考虑散射的条件下均能同时重建碳黑的温度和非均匀辐射特性参数。此后,使用提出的反演方法从高光谱成像装置检测的辐射强度反演了三个常压乙烯/空气火焰中碳黑的温度、吸收和散射系数。结果表明:由于常压火焰中碳黑的散射能力较弱,忽略散射对反演的火焰辐射特性影响较小。另外,还同时重建了通过数值模拟生成的两个加压火焰中碳黑的温度和非均匀辐射特性参数。从结果发现:在加压火焰中,忽略散射会导致反演的温度被显著低估而反演的吸收系数出现明显的偏差。可见,在这些加压火焰中高浓度碳黑的散射作用是非常显著的,所以应该在碳黑辐射特性参数的反演(测量)中考虑散射的影响。最后,采用能够同时捕获光谱、空间和时间上的数据信息的高光谱成像装置实验研究了单颗粒煤粉的燃烧行为。选择了三种类型的单颗粒煤粉在Hencken平焰燃烧器上燃烧,并使用高速摄像仪和高光谱成像装置捕获它们的火焰图像。通过高速摄像仪的观察发现三种单颗粒煤粉在燃烧过程中主要经历了颗粒加热、挥发分释放和燃烧、挥发分和焦炭同时氧化。此外,由高光谱成像装置捕获的火焰图像记录了整个燃烧过程中单颗粒煤粉在光谱和空间上的强度信息。根据所获得的时间-空间分布的光谱辐射强度计算了单颗粒燃烧煤焦沿时间和空间分布的温度和表观光谱发射率,从中发现三种单颗粒燃烧煤焦在较长波长范围内表现出了灰色辐射,这证明了在该范围内使用双色法计算温度是可行的。此后,还获得了单颗粒煤粉包络火焰中碳黑温度和体积浓度的分布,结果表明:在燃烧过程中,两个单颗粒烟煤的周围形成了细长尾状的碳黑云,但在单颗粒褐煤附近形成了近似球形的碳黑云。