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流体颗粒相互作用问题普遍存在于各种工业过程中,且具有复杂的动量交换特征或传热特性.在许多应用问题中,颗粒形状都是非球形的(比如,椭球状、柱状、块状等),与球形颗粒相比,非球形颗粒流体相互作用过程有着自身的特点和难度,流动结构方面,非球形颗粒独特的几何形状在颗粒-颗粒和颗粒-流体相互作用中都引入了比球形颗粒更多的不确定性,因而在多相流动与传热过程中呈现出比球形颗粒更为复杂的多尺度结构,目前仍然存在许多值得进一步研究的问题.本文首先面向CPU-GPU异构计算机体系,建立了针对静止热颗粒-流体耦合系统的三维IB-LBM并行数值模拟平台.接着,建立了适用于运动稠密颗粒系统的LBM-IBM-DEM数值模拟平台,并实现了流体-磁颗粒耦合的研究.主要研究工作与创新点如下.构建基于CUDA并行的三维IB-LBM模型,针对冷态流场中一类静止热椭球形颗粒强制对流问题进行数值模拟研究,揭示颗粒受力和传热机制.首先,通过对单个热球形颗粒绕流问题在不同网格规模下进行模拟,验证了算法的稳定性和收敛性.接着,对不同雷诺数条件下的球体/椭球体绕流问题进行了模拟,数值结果与文献结果在定量上保持一致,从而验证了所设计的三维并行平台的正确性.进一步,通过对冷态流场中静止热椭球形颗粒-流体的耦合系统深入研究,揭示了椭球形颗粒的曳力机制与传热特性随操作参数(雷诺数,颗粒形状及其倾角)的变化规律,在此基础上,提出了雷诺数范围10 ≤ Re ≤ 200,形状因子范围0.25 ≤Ar ≤ 2.5,倾角范围0° ≤ θ ≤ 90°的椭球形颗粒曳力系数与平均努塞尔数计算关联式,数值模拟结果与关联式计算值的平均误差分别为εCd = 2.1%和εNu= 1.4%,其可方便的用于宏观尺度的建模(比如Eulerian-Lagrangian框架).在上述并行数值模拟平台的基础上,将颗粒形状推广到非对称椭球形颗粒,拓展了其适用范围.通过对不同雷诺数及倾角下的椭球形颗粒进行数值模拟,进一步对拓展后的模拟平台进行了验证.而后,针对非对称椭球形颗粒的曳力系数Cd和平均努塞尔数Nu随雷诺数25≤Re ≤ 200、形状因子2 ≤ Ar1,Ar2 ≤ 6与倾角0° ≤≤ 90°的演化规律进行了数值模拟,其结果揭示了非对称椭球形颗粒的曳力机制与传热特性随操作参数的变化规律,并将本文数值模拟结果与文献中已有关联式计算值进行了详细的比较,在此基础上,提出了两类可直接用于Cd和Nu计算的新关联式,特别是对于本文提出的第二类关联式,其平均误差分别为3.875%和 1.598%.在单颗粒并行数值模拟平台的基础上,将颗粒数目从1个推广到多个,进一步拓展了其适用范围,在此基础上详细研究了串列热非球形颗粒-流体的曳力机制与传热特性.另外,我们也讨论了非球形颗粒间的相对距离和相对倾角对曳力机制与传热特性的影响,以及多颗粒系统的曳力演化与传热特性.针对运动稠密颗粒流体系统,建立了相应的LBM-IBM-DEM数值模拟平台,并实现了流体-磁颗粒的耦合研究.首先针对干颗粒的溃坝模拟、非磁性颗粒的DKT过程和磁颗粒间的作用力进行数值模拟,验证了模拟平台的正确性.基于该平台,首先详细研究了外加磁场下竖直方腔中两磁颗粒沉降问题,获得了不同工况下颗粒的沉降速度以及颗粒的运动轨迹,揭示了颗粒间距和连心线与磁场方向的夹角对颗粒运动行为的影响.进一步,数值模拟研究了不同外加磁场对流体颗粒稠密系统中颗粒群动力学特性的影响,与文献中已有实验或数值模拟结果相比,本模型能够很好的捕捉到磁颗粒的运动轨迹和链状结构的动态演化过程.最后,还研究了磁颗粒体积分数对颗粒群运动行为的影响,从数值实验的角度揭示了磁性颗粒在流场中的多尺度运动机制.