研究气泡成核、长大及脱离的整个生长过程(气泡动力学),以及伴随该过程的对流和微尺度传输现象,在核能、航天、材料等技术领域以及能源、动力、石油、化工、冶金等工业中具有重要的研究意义。气泡动力学的研究涉及热力学、传热学、流体力学等众多学科,是一项多学科交叉的基础性研究,具有重要的科学价值和工程应用价值。它主要包括气泡在液体中长大和运动规律以及气泡在加热壁面上成核、长大及脱离规律和条件等一系列复杂的科学问题。目前,人们对于这些科学问题的认识和研究还远远不够。无论是采用理论分析、传统的场模拟方法、还是实验方法开展研究,都具有相当的难度。因而需要开拓新的研究思路。考虑到作为介观尺度方法之一的格子Boltzmann方法在处理微观相互作用明显系统时所具有的独特优点,本文进行了基于格子Boltzmann方法的气液相变及多相流动问题的数值模拟研究,对气泡生长过程及多相流动中蕴含的科学问题进行深入探讨。本文研究内容主要包含两个方面:1、多相格子Boltzmann方法基础理论的扩展;2、格子Boltzmann方法在气泡生长及多相流动方面的数值模拟研究。基础理论方面:①基于Shan等提出的多组分多相伪势格子Boltzmann模型,通过修改伪势模型中的平衡态分布函数,使其满足D2Q9格子,选取新的格林函数形式,并考虑外力及流体与壁面间的作用力,从而构造了一种新的高效的多相格子Boltzmann模型。并在该模型的基础上耦合相变方程,从而构建了一种能够描述气液等温相变的多组分多相格子Boltzmann模型。②基于Shan等及Zhang等提出的单组分多相格子Boltzmann模型,提出直接利用状态方程求取体积力,使其避开有效密度及其梯度,并对速度进行修正,从而建立了一种新的单组分多相格子Boltzmann模型(改进模型1)。③基于Zhang等的思想,利用其定义的粒子间相互作用势来刻画相变过程,并引进由Kupershtokh等提出的精确差分方法来计算体积力,且对速度进行了修正,从而建立了精确差分格子Boltzmann模型(改进模型2)。④在改进模型2的基础上,耦合由Inamuro等提出的传热模型,从而构建了一种新的描述气液非均相相变的单组分多相格子Boltzmann模型。利用多尺度展开技术对构建的模型进行回归分析,发现回归得到的能量方程与通过熵平衡方程推导得到的方程一致。数值模拟方面:①通过对两相不同粘性比的液滴内外压差、两相层流、两相渗透率进行模拟,验证了改进的多组分多相格子Boltzmann模型的正确性。进而利用其考察流体与壁面间的作用强度系数对液滴在壁面上的润湿性的影响;之后考察了接触角以及Bond数对液滴在壁面上的滑动、断裂及脱离现象的影响。②利用多组分多相格子Boltzmann相变模型对液化和蒸发过程的模拟,发现在气相体积分数、液相和气相密度随演化时间的变化关系方面,计算结果较文献结果更加接近理论解;此外,还考察液相和气相质量随演化时间的变化关系,发现均与理论解吻合良好,且可通过调节过热度Δq的大小,获取不同的相变速率。最后,利用其考察了不同重力加速度对池沸腾及竖直管内流动沸腾的影响、水平方向上的加速度对池沸腾以及水平管内流动沸腾的影响。③利用SC模型、Zhang模型和改进模型1分别对vdW流体的相变过程进行模拟,发现改进模型1相对于另外两个模型取得一定的改进。进而将改进模型1应用到不同状态方程控制下的实际物质(氨以及水)相变过程,发现在P-R状态方程控制下模拟结果与实验值吻合良好;并在改进模型1的基础上耦合自由能泛函,利用其考察介观粒子相互作用势,以及与此作用势相关的平衡态热力学及非平衡态热力学特性参数,发现这些参数均遵循不可逆热力学理论。④利用改进模型2对水以及氨在不同状态方程控制下的相变过程进行模拟,发现其在温度调节范围和最大密度比方面较改进模型1具有较大的改进。进而利用其分别探讨了界面密度梯度;不同温度下气泡(液滴)的内外压力差,从而获得水以及氨在不同温度下的表面张力,这均与实验值吻合良好;水在特定温度下的亚稳态平衡及不稳定平衡态;等温相变过程中的气泡和液滴的形成条件、两个静止水滴的合并条件及合并时液桥宽度与演化时间之间的关系,发现该关系式与通过实验验证的理论关系式吻合良好。⑤由于改进模型2所具有的优势,故利用其探讨流体与壁面间的作用强度系数与气泡静态接触角之间的关系,发现两者呈线性关系,这与前人研究结果一致。之后利用非均相相变模型探讨倍网格数对气泡生长过程的影响,发现当水平方向上的网格数大于2倍的气泡脱离直径时,网格影响可忽略不计。接着利用非均相相变模型考察重力加速度及接触角对池沸腾中气泡生长过程的影响,水平方向加速度对流动沸腾中气泡生长过程的影响,以及不同流体与壁面间的作用强度对凹坑气泡成核过程的影响。详细地再现了气泡成核、长大及脱离过程,对相变及气泡形变等物理驱动机制进行了分析,结果与实验吻合良好。