多孔介质内湍流过滤燃烧是燃烧科学的分支,是多学科交叉渗透的集中体现,涉及的时间和空间尺度跨越几个甚至十几个量级,涵盖了流体力学、传热学以及化学反应动力学等相关领域的大量复杂问题。对这一问题开展多尺度数值模拟研究,具有重要的理论和现实意义。尺度升级(Upscaling)作为多尺度研究中一种重要的数值方法,在过滤燃烧计算中经常使用。尺度升级对本征平均物理量计算的影响,一直是学术界普遍关注的课题。弥散作为尺度升级的产物,是影响系统尺度下能量和组分输运的关键因素。与分子热扩散不同,弥散不仅与流体自身的物理性质有关,而且依赖流场的变化。特别是在较高流速下,弥散远强于分子扩散。孔隙内化学反应的存在必然改变当地流场结构,在一定程度上必然影响弥散。除弥散外,尺度升级所带来本征单元内平均化学反应速率的计算一直是一个开放性问题。孔尺度下化学反应速率的计算与自由空间化学反应速率的计算并无差别。然而,经尺度升级后,本征平均化学反应速率并不能简单地用孔尺度下的化学反应速率公式来表示。这是因为不同位置的化学反应速率因当地组分浓度、温度的差异并不相等。目前,对于层流预混过滤燃烧,学术界普遍认为本征单元内的化学反应速率可以近似等于本征平均环境(温度、压力、组分浓度等)下均匀搅拌反应器内的化学反应速率。然而,随着流速的提高,特别是流动由层流过渡到完全发展的湍流之后,这种处理是否依然合适值得探讨。正是基于对这些问题的思考,本文采用双尺度数值模拟的方法对孔尺度和系统尺度下多孔介质内弥散和湍流预混火焰特性开展了若干研究工作,主要内容如下：(1)通过构建适用于大孔隙率多孔介质的几何模型,对多孔介质内湍流、传热,特别是对无体积热源的热弥散机理开展了基础性研究。体对角线面心立方模型的湍流数值计算表明,即使在较低的流速下,孔内结构的复杂性也容易致使狭窄的孔隙内产生漩涡。流体由净流区进入均质多孔介质区,湍流强度由弱变强,2-3个单元长度后趋于稳定。Weaire-Phelan模型计算的孔内对流传热的结果表明,固相比表面积(指单位固体体积所具有的表面积)和体平均比表面积(指单位体积所具有的表面积,包括流体和固体两相)是影响孔内对流换热的关键参数。低速流动时,孔内对流换热与固相比表面积成正比；高速流动时,孔内对流换热与体平均比表面积成正比。湍流与传热的计算结果表明,理想单元堆积模型具有自身的局限性。若要定量描述孔内湍流、传热等现象应该考虑多孔介质空间结构的随机性,数理统计应该作为未来研究的一个重要方法。(2)对低速均相化学反应流内对流换热以及热弥散机理进行了理论推导和数值模拟。理论推导的结果表明,化学反应的存在改变了尺度升级后能量方程的表达形式。这种变化主要源自本征单元内不同位置温度、组分浓度差异导致的当地化学反应热释放不平衡。化学反应放热带来的热流以导热和对流的形式在本征单元内上下输运。2D顺排和叉排圆柱数值计算结果表明,颗粒分布、表观流速、气固两相导热特性均会对本征单元内热弥散产生影响。化学反应速率对弥散的贡献与Thiele模数和Peclet数密切相关。随着Peclet数的逐渐增大,Thiele模数对热弥散的影响被逐渐削弱。(3)采用2D叉排圆柱构成的孔尺度几何模型对颗粒堆积床内湍流预混火焰特性进行了数值模拟研究,对尺度升级所带来的相关长度尺度计算和质量弥散作用给予了重点的关注。数值计算结果表明,燃烧反应情形,本征单元长度尺度的选取至少在6倍颗粒直径以上；热非平衡尺度主要取决于固体基质的物理性质和几何结构,一般在8-10倍颗粒直径之间。计算结果同时表明：孔内湍流火焰主要分布在薄反应区和波纹小火焰区；质量弥散对本征平均化学反应速率具有显著影响,特别是在较高流速和较高当量比下,质量弥散引起的化学反应速率空间偏差与平均化学反应速率的量级近乎相同,应该给予考虑。(4)采用体积平均方法对孔尺度下反应进度变量方程进行尺度升级,获得系统尺度下反应进度变量方程。孔内湍流对火焰面的拉伸、扭曲和褶皱作用以及固体基质的冷壁淬熄作用反映到湍流预混燃烧模型湍流火焰速度的计算中。根据火焰Peclet数对火焰传播方式进行划分,使系统尺度反应进度变量方程能够适用于湍流过滤预混燃烧。