气固两相边界层流动广泛存在于自然界、工业以及环境领域中,如沙尘暴、污染物扩散、煤粉燃烧、流化床以及气力输送等。由于湍流本身的复杂性以及气固两相湍流边界层中速度场、温度场和颗粒浓度场之间多场多尺度的复杂强非线性耦合作用,人们对与能源动力工程领域密切相关的气固两相湍流边界层的系统性研究至今仍是一片空白。因此,开展气固两相边界层流动和传热的研究,不仅具有重要的工程应用背景,而且是当前国际多相流领域的研究热点和难点问题,具有重要的学术创新意义。基于本课题组自主开发的高精度算法以及高性能并行计算平台,本文首次采用欧拉-拉格朗日点源方法对空间发展的气固两相平板边界层从层流经过转捩最终达到充分发展湍流的整个过程开展了直接数值模拟研究。模拟结果表明,颗粒的存在提高了流场的平均速度,从而导致边界层积分参数减小以及壁面摩擦阻力增大。此外,颗粒的存在显著延迟了边界层转捩的发生。在近壁面颗粒增强了流体的流向脉动速度,在远离壁面的区域颗粒反而削弱了流体的流向脉动速度。随着颗粒尺寸和浓度的增加,流体的雷诺应力以及法向和展向上的脉动速度逐渐减弱。在气固两相边界层中,除了流场的粘性耗散外,颗粒与流体间的相互作用也会损失一部分能量,即颗粒耗散。颗粒耗散在湍流调制中起着非常重要的作用。本文采用真实的随时空发展的湍流入口对中高雷诺数气固两相湍流热边界层开展了直接数值模拟研究。模拟结果表明,颗粒的存在增大了近壁流体的平均速度和温度梯度,从而导致壁面摩擦阻力提高以及流体与壁面间的对流换热增强。惯性颗粒抑制了近壁流体的喷射和清扫运动,从而导致雷诺剪切应力和法向热流密度减小,进而削弱了流场湍动能以及温度脉动的产生.边界层中加入颗粒后,涡结构的拟序性明显减弱,但速度和温度条纹结构的拟序性却显著增强,同时条纹间距变宽。此外,研究发现颗粒壁面浓度沿流向的分布与流体壁面摩擦阻力系数沿流向的变化存在着相似性。随着湍流向下游发展,颗粒壁面浓度逐渐减小,湍流涡结构的拟序性逐渐减弱。可以推测,在平板无限远处,边界层中将不存在湍流拟序结构,颗粒也不再具有优先富集特性,而是随流体一起运动。本文的模拟揭示了速度场、温度标量场和颗粒浓度场之间的内在相互耦合作用机理,可为减阻、强化边界层传热和节能减排等工程实际问题提供理论指导,为复杂湍流模型的构建、发展和改进提供理论支撑和基础数据库,并推动多相流理论的进一步发展。