燃烧是能源及动力工程领域一种最基本的能量转化方式，在各类动力设备中，比如锅炉燃烧器及炉堂，燃气轮机，内燃机和航空发动机等，都有广泛的应用。但是，在这些应用中燃烧几乎全部伴随着湍流，湍流使工程中的燃烧问题交得十分复杂。在扩散火焰中湍流对燃料与氧化剂的混合产生影响，而在预混火焰中湍流则会改变火焰的传播速度。对湍流燃烧现象进行深入研究，是对各类动力设备进行设计和改造，提高燃烧效率，降低污染排放的前提。　　 本文的研究重心在于利用直接数值模拟手段，对不同火焰中的湍流与燃烧的相互作用微观机理进行研究，以期通过对该机理的深入理解发展新的湍流燃烧模型，最终为工程实践提供指导。直接数值模拟，是近几年才发展起来的一种湍流模拟手段，它能在不引入任何模型误差的情况下完整的记录湍流信息。将其与化学反应相结合，可以详细的模拟湍流燃烧过程，并记录湍流与火焰的相互作用。本文的主要工作就是围绕该模拟方法展开的，而主要针对的是工程中常见的甲烷射流火焰。　　 为了提高直接数值模拟的计算效率，本文首先在反应流化学机理简化方面进行了一定的研究，结合与NOx相关的反应机理，阐释了化学机理简化的方法和步骤。然后，对贫燃的甲烷预混火焰进行了直接数值模拟，深入的探讨了涡团所引起的弯曲，拉伸，挤压及应力大小等作用对预混火焰面及燃烧放热的影响，并用概率密度PDF方法阐释了对各种作用之间关系，在国内学者中取得了好评。　　 接着，利用三维的直接数值模拟结合简化机理，对带伴流的甲烷/空气扩散火焰进行了数值研究。详细的记录了燃料与氧化剂的混合着火过程，并研究了湍流涡团对该过程的影响，本研究结果能为新的湍流非预混燃烧理论模型的提出作参考。