超临界水热燃烧是指发生在超临界水环境中的有明亮火焰的一种燃烧形式。该技术能够在很短的反应时间内对多种有机物实现极高的降解转化效率,可应用于有机废弃物处理、煤炭的清洁转化利用和重油的品质提升等领域。由于这种非典型燃烧形式所处的极端工况条件,通过实验手段开展研究具有极大挑战性,并且国内外开展的相关实验研究主要侧重在燃烧的宏观特性,如着火温度、转化效率等方面。这种新型火焰,关于其微观火焰机理,以及与常规火焰区别的相关研究则十分欠缺。因此,本文发展了具备大规模并行计算能力的适用于超临界水热燃烧的直接数值模拟平台,并通过一系列高精度数值模拟研究,揭示其着火特性、火焰结构、湍流-火焰相互作用等基础燃烧特性,对这种非典型火焰形成更为全面的认识。本文首先开展了一系列零维自着火计算以研究超临界水热燃烧的基本着火特性,发现其区别于常规自着火工况的一点,在于其富燃侧具有更低的着火延迟时间和更弱的反应强度,因而不具备常规工况的最易反应条件。并且开展了关于真实流体物性、化学反应机理和水的化学参与作用等的影响因素对照模拟,以及关于燃料浓度等的参数化研究,拓展了其基本着火特性的研究。继而开展了层流超临界水热火焰的高精度数值模拟研究,及相关的影响因素分析和参数化研究。发现在超临界水热燃烧中,其火焰结构并非经典的三分支火焰结构,而是仅由当量非预混分支和贫燃预混分支构成的双分支火焰结构。结合火焰结构分析和前文关于零维着火特性的研究结果,进一步阐释了这种火焰结构的成因。通过组分输运分析,揭示了其以自着火为主的火焰稳燃机理。火焰传播机理所起的稳燃作用相对较弱,但该作用随着燃料浓度的提高而增强。通过对照模拟分析,发现反应体系中固有的大量水的化学参与能够显著改变化学反应路径,并降低火焰面厚度约10.2%。通过二维湍流混合层中水热火焰的直接数值模拟,揭示了其微观着火过程,包括着火核心的形成与演化、火焰传播路径与速度等。统计分析表明,着火核心主要出现在特定的混合分数区间,对应于零维着火特性曲线中的热释率峰值位置和着火延迟谷值位置之间。本文最后开展了三维射流水热火焰的大规模直接数值模拟,对其火焰结构、组分输运过程和稳燃机理等燃烧特性进行了分析与研究。统计分析表明,相比于层流火焰,在射流剪切和强湍流作用下,其着火核心主要出现在更加贫燃的区域。该模拟所建立的详细多物理场数据,后续可用于开展多种湍流燃烧模型的模型分析与验证。