随着锅炉单机发电量的上升和污染物减排政策的执行,四角切圆燃煤锅炉凭借其稳定的着火性、简单的操作性和较高的煤种适应性,已成为我国超临界和超超临界锅炉火力发电的主要发电形式,因此对四角切圆煤粉锅炉研究的深度和精度在不断提高。现有对四角切圆煤粉锅炉的研究集中于关注工业尺度燃煤锅炉运行情况,缺乏对其介观多尺度的研究,包括1)煤粉颗粒在复杂多射流中的弥散机理及颗粒对湍流流动的影响规律;2)四角切向射流中煤粉湍流燃烧的过程及污染物生成机理。针对此问题,本文采用实验和数值模拟相结合的方法对四角切向湍射流的涡团结构演化、气固相互作用机理及四角切向煤粉湍流燃烧机理进行深入研究。基于流场显示定性观察和粒子图像测速法(PIV)定量观测相结合的测量方案,构建气固四角切向射流可视化实验测量系统,系统地研究了理想切圆直径、初始气速、固相颗粒粒径对气固切向湍流流动的影响规律,包括气相涡团结构、颗粒弥散规律、切向射流偏斜规律及切向射流能量耗散机理。基于大涡模拟(LES)和颗粒离散模型(DPM),分别采用双向耦合和四向耦合的气固湍流模型对气固四角切向射流进行数值模拟研究,系统地研究了颗粒碰撞、颗粒初始速度、颗粒载荷率对气固切向射流湍流流动的影响,发现复杂气固多射流中颗粒弥散特性主要受到颗粒粒径的影响,其次为颗粒浓度,最后是湍动能耗散率和颗粒密度,并构建适用于复杂气固多射流的斯托克斯数经验公式。基于双向耦合的大涡模拟和颗粒离散相模型,耦合混合分数概率密度函数(PDF)的非预混燃烧模型,构建切向煤粉湍流燃烧的三维数理模型,系统地研究了煤粉粒径和燃烧气氛对四角切向煤粉湍流燃烧的影响,研究发现适当的颗粒弥散和过量空气系数是煤粉稳定燃烧的基础,从涡团尺度和颗粒尺度分析了颗粒弥散规律对煤粉湍流燃烧的火焰稳定性及烟气组分浓度生成机理的影响。基于煤粉低氮燃烧机理,对采用多层附加燃尽风的低氮燃烧配风方式的大唐南京电厂660MW的四角切圆燃煤锅炉进行工程测试和数值模拟验证,系统地研究了不同分级配风率下的锅炉煤粉燃烧特性和污染物生成机理,为煤粉锅炉低氮燃烧的优化提供工程指导作用。