煤粉燃烧产生的多环芳烃（polycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs）及碳烟对人体健康和环境危害较大,因此,研究其生成特性对清洁高效燃烧技术的发展具有重要指导意义。数值模拟方法能够提供PAHs组分和碳烟生成的详细信息,有利于分析其生成特性,揭示其生成机理。因此,本文首先采用详细化学反应模拟研究了应变率、煤粉质量流率和焦炭氧化对煤粉火焰中PAHs生成的影响。结果发现,PAHs组分的生成主要位于挥发分燃烧阶段,且随着煤粉质量流量的增加和应变率的减少,PAHs组分浓度的峰值增大。此外,焦炭燃烧释放的氧化产物会抑制PAHs组分的生成。然后,本文发展了一套高精度的碳烟生成数值模拟方法,来研究煤粉燃烧中碳烟的生成特性。在该方法中,采用小火焰模型预测PAHs组分的生成,从而避免直接采用详细化学反应机理计算量太大的问题。然而,传统的小火焰模型不能准确预测PAHs组分的生成,并且已发展的改进模型均存在一定的缺点。因此,本文发展了一种能简单高效地准确预测PAHs组分生成的双尺度小火焰/过程变量（dual-scale flamelet/progress variable,DS-FPV）模型。在该模型中,引入了专门描述PAHs组分演化的过程变量CPAHs。通过与不同火焰的对比验证,证明了发展的DS-FPV模型能够显著提高传统FPV模型对PAHs组分的预测精度。由于半经验模型不能准确描述碳烟的生成过程,本文通过求解碳烟颗粒数密度函数的群平衡方程来实现碳烟生成的高精度预测,并与DS-FPV模型耦合,形成一套高精度的碳烟生成模拟方法。为了有序地验证本文发展的DS-FPV模型耦合碳烟生成模型的准确性,首先在气相火焰中对模型进行验证。通过与湍流乙烯/空气扩散火焰的实验结果对比,发现碳烟体积分数的分布趋势和峰值大小均能被准确预测。在将上述碳烟生成模拟方法扩展至煤粉燃烧工况之前,首先研究了脱挥发分源项对煤粉燃烧火焰结构的影响,并提出了一种可以考虑脱挥发分源项对煤粉小火焰结构影响的两相煤粉小火焰/过程变量（coal flamelet/progress variable,C-FPV）模型。然后,在煤粉混合层火焰中评估了C-FPV模型的性能。结果显示,C-FPV模型相比FPV模型能够更准确地预测挥发分和中间组分的分布趋势及峰值大小。同时发现,FPV模型不能合理预测输运煤粉颗粒空气的温度,这是因为传统的混合分数Zvol在燃料侧和氧化剂侧的取值均为0,其不能区分氧化剂侧和燃料侧。最后,将已在气相火焰中经过验证的DS-FPV模型耦合碳烟生成模型扩展至煤粉燃烧中,预测了煤粉湍流射流火焰中PAHs及碳烟的生成。模拟结果显示,在上游区域,碳烟体积分数的分布趋势能够被准确地预测,且碳烟体积分数的峰值位置与实验结果吻合较好。同时基于模拟结果,分析了PAHs组分和碳烟的生成特性。发现,PAHs组分在火焰上游呈现环状分布,在下游融合在一起;与层流工况相比,湍流工况中PAHs组分的分布呈现一定的间断性。碳烟的成核源项控制着碳烟颗粒数密度的分布,表面成长和OH氧化源项主要控制着碳烟体积分数的变化。