液态金属在新一代核能技术领域中具有非常重要的应用，但低普朗特数Pr的物性使得它们湍流换热的表现与空气、水大不相同，因此需要深入研究其特性。液态金属湍流换热的实验研究困难，提供的数据主要是换热系数、压降等宏观量，无法给出精确的湍流场信息，因此需要借助数值手段。而数值方法中工程应用最广泛的雷诺平均模拟RANS方法使用的湍流热通量模型是针对空气或水的，研究表明这不适用于低Pr数流体研究，无法提供准确温度场信息。而直接数值模拟DNS方法，不采用任何模型并且可以提供精确的瞬时三维场数据，所以成为本文研究液态金属湍流换热特性的主要方法。　　本文主要采用DNS方法开展了以铅铋合金LBE为代表的液态金属的湍流换热机理研究。在圆管中重点分析了湍流混合对流研究中浮力辅助流下的换热机理;在后台阶中研究了不同Pr数对强迫对流换热的影响，以及比较了浮力效应在后台阶浮力辅助流和抵抗流中的差异。　　圆管湍流混合对流研究中发现辅助流下近壁面各量及换热随浮力增大呈现先减小后增强的变化，这主要是由于浮力对平均场的改变导致湍流发生变化。浮力较弱时，壁面热流体加速抑制了湍流边界层中的喷射-扫掠事件，湍流被削弱，甚至出现层流化;随着浮力的进一步增强，流向速度峰值逐渐接近加热壁面，径向分布呈现M型，此时剪切应力反向增大，湍动能产生项增大，湍流增强。相比于空气湍流混合对流，浮力对液态金属流动的影响更显著。　　后台阶强迫对流显示低Pr数流体的努赛尔数Nu极大值点与再附着点重合;Pr数增大，温度脉动和换热都会增强，它们的极大值位置都会向上游移动;剪切层带来的高强度涡旋冲击是再附区换热增强的主要原因;回流区内湍流热输运的作用比较显著，即使是对于低Pr数流体。恢复区内低Pr数流体的湍流普朗特数Prt分布不均匀，这给液态金属后台阶湍流换热的RANS模拟带来挑战。　　浮力对液态金属后台阶湍流换热有重要影响。辅助流下浮力加速热流体，使得二次涡增大并超过主涡，壁面摩擦系数增大;回流区缩小，剪切层的缩短使湍流强度整体减弱;主涡向上游携带的热量减少因而Nu数增强;理查森数Ri=0.2时可见浮力的作用开始使近壁面湍流增强。抵抗流下很小的Ri就能使回流区迅速扩大，主涡占据整个回流区，二次涡几乎消失，壁面摩擦系数减小;剪切层拉长使得湍流强度增强;主涡向上游携带热量增加因而回流区内Nu数减弱。　　此外，基于本文后台阶DNS数据和棒束子通道换热实验关系式，本文还对RANS方法湍流热通量封闭模型进行改进，采用Prt模型取代常数0.85。对不同Prt模型进行比较分析后发现，基于当地流场参数的Kays模型在预测液态金属后台阶和棒束子通道强迫对流换热中具有更突出的表现。