多孔介质在不同尺度上的组分分布方式与孔隙结构是其宏观物理性质的重要影响因素。X射线CT成像作为一种三维无损表征技术在多孔介质结构表征领域得到了大量应用。对于三维结构而言,CT技术所表征样品区域的尺寸大约是体元尺寸的103倍的数量级,目前主流图像阈值分割算法往往丢失了小于CT可解析尺度的组分分布信息,制约了这一技术的深入应用。本文将CT成像技术与数据约束模型相结合,对用于污水处理的纳米铁改性生物质炭反应前和反应末期的样品进行了三维多尺度结构表征。以其多尺度结构表征结果为基础,利用部分渗透格子玻尔兹曼法对水流在样品中的单相渗流行为进行了数值模拟。数据约束模型计算出了小于CT体元尺寸的组分定量分布信息,有效拓展了CT成像技术的表征尺度,在一定程度上得到了样品的多尺度结构。之后将CT成像与数据约束模型相结合的方法拓展到了考古发掘出的古代家猪颌骨的多尺度结构表征中。纳米铁改性生物质炭样品中的孔隙和含铁类物质均具有明显的多尺度分布特征,这两种组分的分布方式及其在反应前后分布方式的变化对样品的污水处理能力有着重要影响。考古发掘出的生物颌骨及牙齿这类多孔介质的多尺度结构与组分分布方式是了解古代生物生活环境和生物进食习惯的重要依据。本文主要完成的工作如下:1、利用微焦点X射线CT对用于污水处理的反应前和反应末期的改性生物质炭样品以及古代家猪颌骨部分进行了扫描以及CT重建,建立了两类样品的数据约束模型并计算得到样品的多尺度结构定量信息。2、对反应前和反应末期的改性生物质炭样品中的各组分三维分布特征进行了比较分析,定量分析了各组分在不同尺度的分布特征、联通团簇的三维分布特征;基于部分渗透格子玻尔兹曼法对水流在样品孔隙中的单相渗流进行了数值模拟,模拟结果包含了小于CT体元尺寸的孔隙对流体渗流的贡献,讨论了流速分布与各组分空间分布特征的关系。3、比较了不同材料、厚度的滤波片对古代家猪颌骨样品的CT成像的线束硬化校正效果,计算得到了样品中高吸收组分与孔隙的团簇分布形态,分析了样品各组分三维分布特征。本文为基于CT成像技术的多孔介质的多尺度结构表征提供了一种新的思路。关于改性生物质炭样品的研究结果有助于理解污水处理过程中各组分的迁移方式及其与水流速度的关系,为样品的制备工艺改良和反应活性评估提供数据支持。对古代家猪颌骨与牙齿的多尺度结构表征结果为进一步分析测量样品结构特征提供了数据基础,为考古样品的数字建模存档,无损分析提供了一种新的思路。