为了全尺度直接数值模拟有限体积颗粒与湍流边界层的流动和热相互作用,本文首先发展了一套适用于运动颗粒的基于虚拟点的高阶内嵌边界方法。通过大量算例的检验验证证明:该算法具有高阶空间收敛精度;具有极高的效率和准确度;够准确方便处理Dirichlet和Neumann类型边界条件;且能够正确有效处理流体热效应引起的流动和传热问题。釆用高阶算法模拟研究由20个圆球颗粒组成颗粒团(Cluster)的强制对流传热问题发现:颗粒团的流体动力学特性可以通过与颗粒团直径相同的等效圆球来进行预测;但是团聚效应对颗粒与流体相间传热具有明显的阻碍作用。模拟颗粒沉降时的冷却过程发现,自然对流使得颗粒的运动速度和传热过程与不考虑浮力情形均有显著不同,尤其是当表征浮力相对强度的Richardson数较大时。在颗粒与湍流相互作用方面,模拟了自由运动颗粒群与各向同性均匀湍流的流动和热相互作用。主要讨论了密度比、湍流强度、温度脉动和体积分数对阻力系数和传热系数的影响。结果表明,与颗粒固定时温度脉动的影响较强不同,速度脉动对运动颗粒与流体相间传热具有明显的促进作用。并且颗粒平均努谢尔数随颗粒与流体密度比的增加而减小;同时体积分数越大颗粒平均努谢尔数越大。利用直接数值模拟的数据检验常用经验公式的适用性发现:在气固两相湍流中仅当颗粒雷诺数较大时,传统经验公式才能够较准确地预测颗粒的平均阻力系数和传热系数。为提高瞬时预测的准确度,尤其在低雷诺数情形下,需充分考虑颗粒周围局部速度和温度脉动的影响。最后,本文采用经过充分验证的基于虚拟点的高阶内嵌边界方法,首次全尺度直接数值模拟了包含大量自由运动有限体积颗粒的气固两相非等温湍流边界层。系统的对比分析表明,流体热效应浮力和有限体积颗粒的存在,对湍流边界层发展、速度和温度的平均和脉动分布、涡结构演化以及对流传热过程均具有显著影响。特别地,热效应浮力引起的流体法向运动促进了边界层内外层间的动量和热量交换。而有限体积颗粒作为扰动源使得速度脉动全面增加,且边界层内条纹结构和大尺度拟序结构被破坏。但其作为额外热源使得温度边界层迅速发展的同时,又对边界层底层温度场具有稳定作用。