低污染物排放的燃烧室设计要求促进了贫燃预混燃烧技术在燃气轮机和航空发动机中的应用。与非预混燃烧相比,贫燃预混燃烧能够降低燃烧室内峰值温度,进而有效降低NO_x排放。在实际燃烧室内,空间和时间的约束影响了燃料和氧化剂之间的预混程度,导致预混气体的当量比在空间呈现梯度,进而出现分层燃烧。为了有效预测复杂流场结构、燃烧过程中非定常现象以及湍流涡旋与火焰复杂的相互作用,大涡模拟方法得到了广泛应用。湍流燃烧大涡模拟的主要困难在于非线性的多尺度湍流和多尺度化学反应的相互耦合,导致化学反应源项模化及方程求解难度很大。本文紧紧围绕湍流预混和分层火焰,发展了若干亚格子模型,并针对不同流场工况、不同驻定机制以及不同燃烧机制的若干典型湍流燃烧算例开展了大涡模拟研究。主要工作及创新点如下:首先,对剑桥旋流燃烧器的冷态流场进行了大涡模拟研究。大涡模拟统计结果与实验结果符合较好,验证了数值方法的准确性。在燃烧器出口的剪切层附近,采用Q准则识别了无旋流工况的环状涡结构和有旋流工况的螺旋涡结构。基于功率谱密度分析了涡旋脱落的发生,以及进动涡核的存在导致流场的振荡现象。采用三维本征正交分解提取了有旋流动中大尺度结构,预测了多种流动不稳定现象,包括涡旋脱落、进动涡核和钝体回流区末端的不稳定性。其次,基于详细化学建表结合假定概率密度函数的亚格子模型,对高Karlovitz数的值班预混射流火焰开展了大涡模拟研究。采用自点火模型耦合预混火焰传播模型构建详细化学热力学表。计算了不同未燃气体温度条件下一维非稳态的层流预混火焰,对耦合建表方法预测化学热力学状态的能力进行了评估。使用假定概率密度函数考虑湍流和化学反应之间的相互作用,其中假定双混合物分数的概率密度分布为Dirichlet分布。探讨了不同详细化学建表方法和不同假定概率密度函数模型对计算结果的影响,然后分析了高Karlovitz数的值班预混射流火焰的流场结构和火焰结构。再者,基于动态加厚火焰结合火焰面生成流形建表方法的亚格子模型(DTF-FGM),对薄反应机制下湍流预混和分层火焰开展了大涡模拟研究。利用反应进度变量定义的火焰指数动态确定加厚因子,使得加厚过程限制在实际计算需要加厚的区域。针对湍流预混火焰,推导了 DTF-FGM模型中特征标量(混合物分数和反应进度变量)及相应亚格子方差的大涡模拟输运方程。针对湍流分层火焰,由于采用copula方法考虑了混合物分数和反应进度变量之间的相关性,因此推导了 DTF-FGM模型中协方差的大涡模拟输运方程。作为不同亚格子模型的比较,建立了火焰面生成流形建表方法结合假定概率密度函数的亚格子模型(PPDF-FGM)。基于湍流预混火焰的计算结果,对DTF-FGM模型中重要参数, 如皱褶因子、加厚因子和亚格子方差模型等进行了敏感性分析。评估了 DTF-FGM和PPDF-FGM模型预测薄反应机制下湍流预混火焰和分层火焰结构的能力,然后采用当量比的概率密度分布,以及当量比和反应进度变量之间定向角的概率密度分布研究了湍流分层火焰结构。最后,基于详细化学建表结合假定概率密度函数的亚格子模型,对高温伴流湍流抬举火焰开展了大涡模拟研究。采用自点火模型耦合预混火焰传播模型构建详细化学热力学表,同时利用copula方法构建双特征标量的联合概率密度分布,然后推导了特征标量、亚格子方差以及协方差的大涡模拟输运方程。基于实验测量得到的散点分布和条件平均分布,对详细化学建表方法和联合概率密度函数模型进行了先验研究。通过湍流火焰传播速度简化公式,以及描述多机制火焰结构的多维火焰面方程初步研究了高温伴流湍流抬举火焰的驻定机制和燃烧机制。