作为燃料不完全燃烧的产物,碳烟颗粒的生成将带来燃烧效率降低、炉膛内辐射换热增强、燃烧器结构破坏、空气污染等一系列负面效果,对推进能源清洁高效利用,促进实现碳中和目标极为不利。碳烟颗粒生成过程是一个典型的跨尺度、多相多组分的复杂理化过程。其中,初生碳烟颗粒的生成碰并过程跨越了分子尺度及纳米颗粒尺度,实现了固相核心的从无到有,涵盖着复杂的理化变化。目前,针对碳烟颗粒微观生成环节的研究以采样测量、数值模拟为主,存在着测量困难、模拟实验脱节、缺乏针对性等问题。为此,本文分四步对初生碳烟颗粒的生成碰并过程进行了探究。首先,本文探究了宏观均匀热力学体系中的微观热力学参数非均匀多尺度分布特征及其与化学反应的关联机制。在这一部分中,我们探究了分子热运动带来的微观热力学参数不均匀性及其跨尺度特性,发现在100 nm以下的统计尺度中,上述非均匀性会在实际统计温度与宏观平均温度间形成较大的差异。不同尺度下的温度统计差异会影响化学反应的进程,使绝大部分化学反应发生于占实际体积很小比例的局部高温区域内。基于上述研究结果,本文还形成了采用微观模拟还原实际工况的跨尺度理论工具。基于上述跨尺度特性,本文从微观层面探究了热解燃烧过程中碳烟颗粒前驱物生成和演化的反应机理研究。我们建立了燃料分子模型及全原子煤颗粒模型,并通过反应分子动力学方法探究了初始燃料构型、温度、压力、气氛等诸多因素对于多环芳烃（PAH）、乙炔（C2H2）等碳烟颗粒前驱物生成过程的影响机制。基于上述研究,本文进一步探究了由主要前驱物生成初生碳烟颗粒的乙炔一元成核机制及乙炔-多环芳烃二元成核机制,获得了温度、前驱物种类、成核抑制剂等重要参数对于成核过程的影响。发现,在乙炔-多环芳烃二元成核化学成核机制中,乙炔单独成核机制与多环芳烃单独成核机制通过碳链这一关键中间产物互相沟通,提高了成核速率与核心胚胎稳定性。而在二元物理成核机制中,两种前驱物间几乎没有协同作用,乙炔分子只是作为气体分子吸附于多环芳烃多聚体空隙中。最后,本文对前文生成的初生碳烟颗粒构型进行了分析,发现其与常见纳米颗粒的主要区别在于其电荷非均匀分布特性。这一特性使其具有较大的电偶极矩,将产生额外的颗粒间相互作用力,对颗粒间的碰并形成较大影响。研究发现,这一影响明显削弱了颗粒碰并,而抑制效果的主要来源是颗粒间趋近速度的下降及斥力侧趋近过程中的颗粒弹回及运动方向改变。综上所述,本文阐明了宏观均匀热力学体系中的微观热力学参数非均匀多尺度分布特征,完成了从前驱物生成,到初生碳烟颗粒生成,再到初生碳烟颗粒碰并长大的微尺度模拟,获得了初生碳烟颗粒生成碰并的全流程机制,对于碳烟颗粒生成过程的精准控制提供了理论依据。