两相流广泛存在于油气储运领域各个方面,包括油气田集输管道,油气水分离设备及储罐等。多相流动过程在油气储运中有利有弊,例如多相混输技术与油气水分离技术,它们分别对应利弊两方面。总的来说,无论是利用多相流还是防止多相流,都需要通过对其物理机理研究来加深对多相流本质规律的理解。本文针对油气储运领域罐体两相中常见的液滴与气泡运动过程,基于扩散界面相场方法,从“微观小尺度”角度出发对该物理过程进行直接数值模拟研究,属于多相流研究中基础性,理论性的研究工作。基于能量定律的扩散界面相场方法有别于传统锐利界面方法,该方法在数值模拟过程中无需对界面进行重构,易于从二维模型推广到三维模型;通过不同能量函数的构造,可以实现如非牛顿流体,黏弹性流体,含表面活性剂的流体等复杂流体进行模拟,因此作为全新的两相流模拟方法受到越来越广泛的关注,在油气储运行业中对其进行应用与拓展具有一定的现实意义。作为基础性的研究工作,本文从扩散界面相场方法最基本的数理模型及相关物理量的定义与物理关系的推导出发,比较了扩散界面方法与锐利界面方法的不同;分析了作为控制方程的Cahn-Hilliard方程的具体数学表达与物理内涵;详尽地对两相流等密度/变密度连续形式下与离散形式下的能量定律进行了证明;提供了常规扩散界面模型中相场方程与动量方程的数值方法作为参考。其中能量定律是两相流扩散界面相场方法的根本,针对能量定律构造合理高效的数值算法是进行相关两相流模拟的必要步骤。经数值方法处理后离散形式下能量定律成立才能保证高效稳定的数值求解过程,因此本论文也花了较大篇幅对相关数值算法的能量定律进行了证明,提供了较为详尽的数理背景资料与推导为后续工程研究工作的展开提供了保障。此外,本文的自主创造性工作包括通过矩阵与向量形式的离散表达,从离散方程的协调一致性与系数矩阵信息两方面对比了动量方程求解方法中数学界常用的压力修正方法与工程界常用的SIMPLE算法的不同,根据它们的算法特点给出了合理的解释与分析,为后续相关两相流算法的选取与构造提供了可靠依据;针对Cahn-Hilliard方程中四阶项全隐处理的需要,作者基于Fortran语言特点实施了一种无需构造系数矩阵来实现共轭梯度算法求解相场方程的分步、模块化代码编写方法,其避免了四阶项复杂的多点离散。文中给出了相关编写思路与关键代码作为参考。最后本文基于附加对流通量的变密度模型和引入中间速度的思想提出了一种新型针对大密度比问题的数值方法,并在论文的数值结果章节通过对气泡浮升等大密度比问题的物理过程进行模拟,验证了该数值方法的正确性以及健壮性,其稳定性较改进前的算法也有一定提高。同时,文章除了单独对Naiver-Stokes方程以及Cahn-Hilliard方程的数值求解过程进行单独验证与分析以外,还针对罐体油水分离中离心法,聚结法,重力法等工程方法,对应性地研究了液滴在涡流中的运动,在剪切流动中的变形与破碎,液滴的融合,液滴的撞击,液滴与气泡的浮升与坠落等一系列过程;并从理论解析解对照,两相流实验测定结果对照以及商业数值模拟软件结果对照,特征参数对比等多个方面,多个角度来对本文自行编写的数值模拟方法与代码进行验证分析。本文通过以上工作为多相流扩散界面相场方法在油气储运行业的推广运用提供了较为详尽的理论资料参考与数值计算研究基础;相关模拟研究的开展验证了该方法在油气储运多相流微观现象研究中的可行性,该方法有利于辅助多相流实验研究中物理过程的预测与比对。