气泡湍流和旋转Rayleigh-Bénard对流在地球物理及工程实际中都有着重要的应用背景。本文采用直接数值模拟方法研究了竖直槽道中的气泡湍流和带自由面的旋转Rayleigh-Bénard对流问题。本文主要工作和研究成果如下:　　 (1)采用直接数值模拟方法研究了带气泡的槽道湍流问题，着重探讨了气泡浮力对湍流特性和气泡运动的影响。在本文的研究中，利用双向耦合的Lagrangian-Eulerian方法求解气泡和流体的运动，基于壁面摩擦速度和槽道半宽定义的雷诺数为Reτ=194。重点考察了向上流动(upflow)和向下流动(downflow)，分别对应于g＜0和g＞0的情况，基于壁面单位定义的重力加速度为g+=-0.5，-0.2，-0.1，0.1，0.2，0.5。通过比较气泡槽道湍流和纯剪切槽道湍流的湍流统计特性，分析了气泡在流场中的分布规律和运动特性，讨论了瞬时湍流脉动结构。计算结果表明，在向上流动中，气泡增强槽道中的平均流动和湍流脉动;而在向下流动中，气泡对槽道中的平均流动和脉动运动起抑制作用。气泡的法向运动决定了气泡在流场中的分布规律。气泡的脉动运动主要受湍流支配。在向上流动中，气泡运动对槽道中的近壁湍流结构具有增强作用;而在向下流动中，气泡运动对槽道中的近壁湍流结构表现为抑制作用。　　 (2)采用直接数值模拟方法研究了带自由面的旋转Rayleigh-Bénard对流问题，着重探讨了系统旋转对湍流结构和湍流传热的影响。在本文的研究中，流场上边界为低温的自由面，下边界为高温的固壁，水平方向采用周期性边界条件，系统沿着竖直方向旋转。计算中，Rayleigh数取为Ra=2.5×106，Prandtl数取为Pr=1。为了考察旋转效应，选取了六个典型的旋转数，分别为N=0.0，0.2，0.5，1.0，2.0，4.0。重点分析了旋转效应对于湍流统计量、湍流传热、概率密度函数、湍动能budget、湍流热通量budget、拟涡能budget和湍流结构的影响。研究发现，系统旋转使中心区域平均温度梯度增加、脉动温度增强;壁面和自由面边界层内平均温度梯度都减小，壁面边界层内脉动温度减弱，而自由面边界层内脉动温度增强。同时，系统旋转对湍流强度和湍流传热都具有抑制作用。