水热转化是目前实现生物质绿色高效提质极具潜力的热化学转化技术。生物质水热转化的本质是生物质各组分在多尺度下,通过系列物理变化和化学变化转化为目标产物的过程。因此,充分理解各物理化学过程间的相互耦合作用机制,是提高生物质水热转化能效及优化反应系统的基础。目前,生物质水热转化相关的研究主要关注催化剂开发、反应路径设计及反应机理探索等化学过程研究范畴,而对多相流、组分输运和传热等物理过程关注较少。尤其是关于生物质水热转化中多尺度的物理过程与化学过程耦合作用的系统性研究目前鲜有报道。本文聚焦于生物质水热转化中多尺度多物理化学过程的耦合作用机制及其对反应能效的影响研究。提出将生物质水热转化中庞杂的化学反应过程归纳分解为统一的物理化学子过程的策略,并进一步凝炼出物理化学子过程集合的概念。构建了多尺度多物理化学过程耦合的格子Boltzmann（LB）数值模型。基于所建立的数值模型,以“纤维素→葡萄糖→5-羟甲基糠醛→乙酰丙酸→γ-戊内酯”的反应路径为典型代表,系统性地研究了该转化路径所涉及的系列化学反应输运过程。主要研究内容及结论如下:（1）发展了生物质颗粒在酸性环境下纤维素水热解聚过程的数值模型,准确预测了纤维素的溶解过程,阐明了生物质颗粒结构变化规律。综合考量反应效率和原料消耗,提出水解反应效率因子,全面地评估了各反应工况的反应能效,揭示了木质素对纤维素水热解聚过程的抑制机制。（2）建立了多孔介质中反应输运过程耦合的固定床数值模型,研究了葡萄糖脱水制备5-羟甲基糠醛（HMF）中,多孔介质流动、组分输运及催化剂床层几何结构特性与反应的耦合作用规律。分析了溶剂效应中,组分扩散传质方面的内涵,结果表明,反应中间体的扩散抑制效应有利于目标产物的生成。特别地,发现了葡萄糖脱水反应过程中,催化剂床层在流场方向具有明显的区域特征,即:入口段、反应速率控制区、雷诺数显著影响区及低催化能效区,各区域沿流速方向的几何尺度不依赖于雷诺数,该区域特征可为反应器的设计提供重要理论依据。（3）构建了适用于生物质水热转化中结焦现象模拟的反应输运模型,研究了葡萄糖在Fe/HY分子筛催化剂中转化为乙酰丙酸（LA）过程的结焦特性,揭示了催化剂粒径、多孔介质流动、传热、化学反应及结焦过程间的耦合作用规律,阐明较大粒径的催化剂颗粒对结焦过程的诱发机制。此外,基于数值模拟结果及文献实验数据的二次分析,发现了当前结焦反应动力学模型在高温区的局限性。（4）基于LA加氢制备γ-戊内酯（GVL）的气-液-固多相反应过程,构建了孔隙尺度的多相多组分反应输运模型,研究了氢气和LA在催化剂颗粒内部的反应输运过程,论证了由低LA浓度导致的LA传质限制效应“LA effect”现象。同时,提出氢气压力影响因子,以评估氢气传质对LA加氢反应的影响机制,证明了氢气的气液传质过程在该反应中的主导作用。基于氢气传质控制特征,提出球壳型或涂层型催化剂与LA加氢反应具有更优的协同效应。（5）数值重构了不同活性涂层厚度的多孔催化剂颗粒模型,阐明了该反应的阶段特征及氢气穿透深度现象。分析了 LA加氢过程的动力学控制和传质控制特性,研究结果表明,在反应性能几乎不变的情况下,使用涂层型催化剂可降低30%的催化剂使用量,佐证了涂层型催化剂与LA加氢反应的协同效应。此外,创新性地提出了化学反应速率驱动势φc的概念。φc能够量化驱动化学反应状态发生改变的因素及其作用强度,其物理意义简单清晰,具有良好的普适性。