多孔介质燃烧是指采用多孔介质材料取代自由空间,使可燃混合气或燃油蒸汽经固体多孔介质,在类似于过滤情况下发生的燃烧,其广泛存在于自然界和工程实际。多孔介质内湍流燃烧是燃烧学的一个重要分支,由于复杂的多孔介质结构对其内的湍流特性、传热特性、燃烧过程及湍流-火焰间的相互作用等影响很大,多孔介质燃烧与其他燃烧过程存在较大差异。为了深入分析多孔介质内的湍流预混燃烧特性,本文采用与填充型多孔介质实际结构更为接近的随机堆积模型,结合基于大涡模拟方法的湍流模型与燃烧模型,对孔隙尺度下多孔介质内的流动、传热及燃烧过程进行数值模拟研究,本文主要完成的工作如下:首先,采用两种不同的仿真方法建立了与实际随机多孔介质结构相似的几何结构模型。一种方法是通过模拟单元体自由下落、碰撞及堆积过程,得到类似于实际堆积床结构的随机堆积模型;另一种方法是通过模拟发泡剂的随机分布、气核膨胀、气泡破碎以及停止增长过程,得到的类似于真实泡沫陶瓷结构的种子生长模型。由于在生成几何结构过程中,两种方法均是对多孔介质材料实际生产中的主要流程进行仿真,再结合MATLAB软件完成快速批量建模指令,进而实现模型输出,因此上述两种模型与实际多孔介质结构高度相似,均具有鲜明的随机性特征,同时具有生成快速的优势。其次,以随机堆积的几何结构模型为基础,在孔隙尺度下对多孔介质内流体的流动与传热过程进行数值模拟研究。通过模拟结果与实验数据的对比,全面验证了多孔介质结构模型、湍流模型及传热模型的有效性;在此基础上,对模拟结果进行了宏观分析,发现堆积结构内,平均孔隙率和多种流动标量及传热标量,均呈现周期性变化的分布特性,并详述了气体速度、颗粒大小等参数对多孔介质内湍流场和温度场的影响;应用大涡模拟方法(LES)研究了多孔介质局部区域内的流体流动特性及温度分布特性,通过对孔隙尺度下湍流场及温度场的细致分析,探索特征涡旋在多孔介质结构内的空间分布规律,确定了涡旋变化过程的时间尺度范围、等温面形状变化及形状复杂度等特征规律;同时应用雷诺平均方法(RANS)模拟得到同工况下的湍流场及温度场,将其与大涡模拟结果进行对比,讨论了两种方法的差异及其各自的优势。再次,基于上述随机堆积结构模型,将大涡模拟方法与双温度模型以及EBU-Arrhenius燃烧模型相结合,模拟了甲烷/空气预混气体在堆积床内的燃烧过程。通过模拟结果与实验数据的对比验证了模型的有效性;深入分析了多种工况下堆积内的火焰分布、火焰面特性及温度分布规律,讨论了入口速度,燃气当量比和堆积结构等参数对燃烧过程及火焰特性的影响;通过对多孔介质特殊结构内的湍流-火焰相互作用进行定量分析,确定了多种工况下湍流火焰的分区规律。最后,采用球形封闭腔对随机堆积结构进行切割,得到可用于孔隙尺度模拟的几何结构,将大涡模拟方法与幂律火焰褶皱模型相结合,模拟了氢气-空气预混气体在随机多孔介质结构下的封闭空间内的燃烧过程。通过将模拟结果与不同湍流背景下的实验数据进行对比,完整地验证了模型的有效性;同时分析了不同结构内球形火焰的分布情况、火焰面厚度、火焰面传播速度、火焰面半径、火焰面积及火焰面上平均涡量值随时间的变化规律;并基于火焰面上Karlovitz数的分布情况,定量分析了多孔介质内湍流-火焰的相互作用,从而确定了多种结构内的湍流火焰分区规律;将基于幂律火焰褶皱模型的模拟结果与应用EBU-Arrhenius模型得到的结果进行对比,分析了幂律火焰褶皱模型的优势及其必要性。