能源与环境问题已逐渐成为制约我国社会经济发展的重要因素,充分、高效地利用低热值燃气等非常规能源不仅能有效缓解能源短缺的问题,还助于抑制甲烷等温室气体的排放。低热值燃气固有的热值低、散布广、性质多变等特性,为其规模化收集与应用带来巨大障碍,亟待发展面向低热值燃气的高效能量转换技术。本文采用数值模拟与实验相结合的手段,研究了采用多孔介质燃烧器实现低热值燃料稳定高效燃烧的机制与方法,在分析设备及系统动态特性的基础上,提出了基于多孔介质燃烧器的温差发电系统结构。本文主要工作及成果如下:首先,为获得温差发电系统的高精度静动态特性、分析燃料在多孔介质内的详细燃烧过程,分别构建了面向温差发电（TEG）过程全工况的三维瞬态求解器TEGFoam和面向多孔介质燃烧（PMC）过程的瞬态、非均相求解器Porous Combustion Foam。TEGFoam以Open FOAM的流—固两相换热求解器cht Multi Region Foam为基础,添加燃烧动力学模型、TEG动态模型,并通过反应流源项与TEG热效应源项的耦合实现反应流、两相换热与TEG的协同仿真。温差发电模块静态发电实验与烟气热回收TEG系统性能测试实验的结果充分验证了求解器的可用性和精确性。Porous Combustion Foam以耦合燃烧动力学模型rho Combustion Model的两相换热求解器cht Multi Region Reacting Foam为基础,构建PMC过程体积平均模型与非均质模型。与文献中典型PMC算例结果的对比充分验证了求解器的实用性与准确性。三维瞬态求解器TEGFoam为TEG系统的设计与调控分析提供了有力的分析工具,三维瞬态求解器Porous Combustion Foam为PMC燃烧器设计、故障分析与运行调控创造了条件。然后,为了寻求稳定高效的PMC燃烧器及TEG结构,基于典型PMC和TEG对象进行了三维动态特性分析,明确了影响设备性能的关键因素。针对PMC燃烧器易于发生燃烧失稳故障的问题,应用所开发的Porous Combustion Foam求解器对燃烧器火焰倾斜现象发生过程进行分析,计算结果表明燃烧器中的骨架阻塞缺陷是PMC过程发生失稳的重要诱因。基于Porous Combustion Foam求解器,在引入多孔介质骨架自动生成算法的基础上,借助超级计算机Archer2,对PMC过程进行了孔隙级微观模拟,计算结果表明,多孔介质的局部阻塞不仅会导致火焰面出现畸变,同时将产生局部高温区,并进一步导致材料的熔蚀。基于TEGFoam求解器对TEG系统关键部件进行了全三维仿真,并对热端蚀刻翅片结构进行了优化。最后,为了提高TEG系统的发电效率,设计并构建了耦合PMC燃烧器的热源分级型温差发电系统（CTEG）。基于热源分级利用的思想提出了一种新型TEG结构,在对燃烧器、换热器等设备结构进行优化的基础上,构建了完整的CTEG实验系统。实验结果表明,所构建的CTEG相较于单级TEG系统,发电效率提升21.56%,达到5.92%左右。基于换热参数辨识模型与动态分析模型对TEG系统静动态特性进行了分析,结果表明冷端的换热热阻是制约发电性能的重要瓶颈,且低温级发电单元对全系统发电效率影响很小。为了简化系统结构、提高系统的抗扰能力,设计并构建了基于碳化硅（Si C）泡沫PMC燃烧器的改进型CTEG系统,实验测试结果表明,该系统在小幅提升效率的前提下,具有更佳的燃料适应性,能经受燃料侧的较大扰动。综上,本文所构建的开源求解器TEGFoam和Porous Combustion Foam为CTEG系统结构及运行优化提供了有效的分析工具;所获得的PMC燃烧器动态特性及失稳机制,为燃烧器的设计和调控提供了理论及技术支撑;所提出的基于PMC燃烧器的CTEG系统,为低热值燃气的高效清洁利用提供了新的思路。