微反应器和微流控器件已成为过程强化与绿色化的重要手段。传统的宏观连续介质方法在描述这些系统时遇到了很多困难,而物质世界微观上都是由大量的原子、分子等离散粒子组成的,离散模拟为从本质上探索这些微系统的规律提供了一种强有力的工具。本论文以硬球和软球分子动力学模拟为手段,针对复杂系统中机制协调产生多尺度结构的机理,研究了气固两相微流动及其中固体微粒在外力场中的涨落行为,并探讨了用于制作这些微系统的晶体硅材料的大规模并行计算,从而服务于这些系统的研究与开发。　　 论文利用拟颗粒方法(PPM)能够耦合气体在微观尺度下的热涨落和流动行为的优点,对纳米及亚微米管道反应器中纳米颗粒的输送行为进行了探索性研究。模拟表明,如果对固体纳米颗粒施加相当高的外场力,也会出现与宏观流态化定性类似的流动现象,并且纳米颗粒间作用力的大小和类型对管道中两相流动的特征结构具有重要的影响。随着颗粒间粘附作用的增强,团聚更加明显,并出现不同于宏观的具有尖锐边角的团聚物。如果考虑气固作用时的边界无滑移条件及固一固颗粒间作用的各向异性,则可发现明显为丝状或纤维状的团聚体。另外,由于固体纳米颗粒强烈的布朗运动,在相对较弱的颗粒间粘附作用下能出现散式流态化。同样,这也使初始流态化的发生变得不像宏观流化床那样明显。此外,模拟还表明,系统存在一个最小宽度,小于这一宽度,系统不能呈现稳定的流化行为。　　 除了直接的场力驱动,从生命过程得到灵感提出的布朗马达机制是微尺度上控制极小颗粒传输的另一途径。本文应用拟颗粒模拟研究了单粒径布朗粒子在锯齿型空间势间歇作用下的可控传输及两种布朗粒子基于该原理的可控偏析。在模拟中,通过离散的拟颗粒表示的热环境能够较好地呈现高斯白噪音,并且可以方便地控制噪音的强度,从而有效地模拟二维布朗马达系统。通过对单一布朗粒子运动轨迹的追踪和空间相图的绘制,清晰地复现了布朗粒子的宏观定向运动行为,显示了非平衡涨落对定向传输的促进作用。模拟发现的一些参数(诸如温度等)对传输速率的影响与相关实验及理论报道吻合。模拟还考察了两种粒径的布朗粒子共存的马达系统中粒径比、体积分率和操作温度等对系统偏析能力的影响,并在偏析机制的研究上考虑了粒子之间的耦合。　　 更进一步,为了考虑微反应器内部表面对纳微尺度颗粒流体系统流动行为的影响及实现微反应器的全系统模拟,本文提出了一种基于多体作用模型的共价晶体分子动力学模拟的算法,该算法面向具有多尺度架构的新型加速计算工具GPU实现了良好的通用性和可扩展性。结果显示,相比于传统的CPU计算,应用GPU可显著提高计算效率,大幅缩短计算时间。同时,本文还进一步实现了多个GPU之间的多层次并行计算方法,初步探讨了多晶硅及具有一定刻蚀纹理的单晶硅表面传热过程的大规模分子动力学模拟。　　 本文的模拟工作为探索多相纳微流动的机理和纳微化工反应器的完整模拟提供了一条可行途径。论文最后展望了这方面今后的工作。