高温气冷堆堆芯是一个由大量燃料球随机密集堆积而成的球床。球床运行在高温条件下并由高压氦气流通过对流换热带走堆芯热量。本文在颗粒尺度下给出了高温球床导热、颗粒辐射以及对流换热传热过程的数值模型。对于球床中的颗粒运动,论文中采用离散单元法（DEM）计算不同球径比和区域宽度比下的双区球床混合过程。而颗粒尺度混合指数和混合熵用于定量描述混合强度。计算结果表明双区球床的球径比对混合过程的影响更为明显。同时,双区球床滞留区随着中心区颗粒球径增加而显著降低。球床颗粒辐射随着温度升高而迅速增加,在高温下成为整个传热过程重要的一部分。本文在不同空间尺度下给出了三个颗粒辐射模型,其计算结果与经验模型进行对比分析。长程辐射模型中考虑了所有存在辐射换热关系的颗粒对,而短程辐射模型仅考虑距离较近的单层Voronoi单元相邻颗粒对。结果表明当颗粒材料导热系数远大于辐射有效导热系数时,长程辐射模型严格适用于高温球床辐射计算。但当两者在同一数量级时,材料导热系数对辐射换热的影响与长程辐射部分大体抵消,此时短程辐射模型显示出良好的计算精度。在球床设计和相关的事故分析中,其基础的任务便是计算球床辐射有效导热系数。基于有序堆积的等效传热单元,本文推导出了短程辐射模型和子单元辐射模型下有效导热系数的解析表达式。计算结果表明短程辐射模型在温度超过1200℃时略有偏高。而子单元辐射模型是通用的理论性方法,在超高温度下（大于1500℃）仍然适用。针对高温球床中的气固两相流动与传热过程,本文给出了完整的颗粒尺度CFD-DEM计算模型。两相耦合模型综合考虑了颗粒运动和流体流动、流体-颗粒相互作用与对流换热、颗粒接触导热以及颗粒间辐射换热。当流体网格尺寸接近或小于颗粒直径时,传统体积切割法下的孔隙率分布使得CFD-DEM模型难以收敛,此时体积切割法不再适用。该条件下,子颗粒网格尺度下的CFD-DEM仿真推荐采用光滑孔隙率法。空间分布函数采用解析法获得的扩散函数,在光滑程度趋近于0时,扩散函数严格收敛到体积切割法下的阶跃函数。针对HTR-10基准问题,子颗粒网格尺度的CFD-DEM仿真结果和THERMIX代码符合得很好。对比球床Voronoi单元体孔隙率分布,扩散函数的光滑程度推荐值为0.50.7。