纳米流体可满足各领域产热设备中换热系统的高热负荷传热及降温要求,具有广泛的应用前景和可观的经济效益。了解纳米流体微纳尺度流动特性对于优化纳米流体制备工艺及揭示微纳流动调控机理具有重要意义。但纳米流体巨量的溶剂分子、复杂的流动状态、对原子尺度信息的需求以及部分特殊纳米流体特征行为慢于热涨落等因素使现有的单尺度方法无法同时满足上述特性。本研究旨在提出一种纳米流体多尺度模型,该模型优势即在需要关注原子尺度信息的区域采用分子动力学模型,而在基液等无需关注原子尺度信息的区域采用更大尺度的数值模型。这一方面保证了模型的精确度;另一方面将极大程度节约算力,间接地减少资源占用以及能源浪费。本研究以广义Landau-Lifshitz涨落流体动力学多尺度模型为起点,逐步将模型发展为纳米流体多尺度模型,并进行了完整的参数化测试与铜-水纳米流体的初步应用。主要工作和结论如下:1、为了将广义Landau-Lifshitz涨落流体动力学多尺度模型拓展至纯水体系,发展了一种热浴效应一致的多尺度耦合模型。该模型基于广义Landau-Lifshitz涨落流体动力学方程,将热浴耗散项纳入粒子方程中,形成了类郎之万热浴格式的粒子动力学方程;进而重新推导多尺度模型的流体动力学方程的源项,从而保证了多尺度模型热浴效应的一致性;并进一步提出了对相浓度敏感的局部热浴表达式。基于该模型的两个版本,即郎之万局部热浴和郎之万恒温热浴模型,对平衡态等温条件下SPC/E水体系进行测试,并与原始的全局热浴模型及单尺度全原子分子动力学模拟在不同计算域大小的情况下进行了对比。与全局热浴模型相反,郎之万局部热浴和郎之万恒温热浴模型对计算域大小不太敏感,不仅可以重现正确的速度和密度涨落,还可以捕获纯粒子区域中的局部温度。此外,结果显示郎之万局部热浴可以准确地捕获纯粒子区域中的密度,进而可以准确地描述压力,因此正确复现了水分子径向分布函数的第一水合层和第一谷。与单尺度全原子分子动力学模型相比,多尺度耦合模型计算成本显著降低,根据计算域的大小,多尺度模型的速度提高了5到20倍。2、多尺度模型本质是自由度差异巨大的两种算法之间的耦合,粒子域瞬时量激烈的震荡对模型稳定性有着较高的要求。为了降低热浴效应一致的多尺度模型的参数敏感度并使其更加稳定,提出了使用空间平均并辅以人工粘性的方法来降低粒子源项噪声的方法;并进一步提出了显隐式结合的算法用以更新阻止相分离的强迫项。基于上述方法,对算法稳定性进行了对比测试与参数研究,并获得了最优参数。结果显示,上述方法使多尺度耦合算法稳定性明显得到改善,使其可以适用于耦合参数更大的情况,这为后续的非平衡态模拟奠定了良好的基础。更重要的是,当前的耦合方法使粒子方程适用于更加高阶的长程作用力积分方法,包括Reaction-field法及PME法;这使得纯粒子区域的涨落信息及温度、密度均呈现出相较于原始Cut-off方法更精确的结果。与单尺度全原子分子动力学模型相比,耦合模型计算成本显著降低;根据计算域的大小,多尺度耦合模型的速度提高了4到18倍。3、纳米流体很少处于静置状态,因此多尺度模型应当兼容非平衡流动。首先针对非平衡态剪切流提出了一个线性化方案,并以LJ氩流体体系泊肃叶流和库埃特流为基准案例进行了方案优化。进而在SPC/E水体系进行剪切流模拟,结果显示该线性化方案形成的泊肃叶流与库埃特流的流速剖面与解析解吻合良好;剪切流动下的模型涨落特性与平衡态多尺度模型的结果也保持了良好的一致性,且剪切流的存在未影响纯MD粒子域径向分布特性。此外,当前多尺度模型与同计算域单尺度全原子非平衡态分子动力学模型相比具有1.5到17倍效率优势。将多尺度模型实现拓展至剪切流动后,进一步通过在连续介质域的入口边界处施加入射平面声波分析解的方式,使当前多尺度模型兼容了声波传递。结果显示多尺度模型得到的粒子域密度和速度信号与声波解析解趋势基本一致,充分表明当前多尺度模型正确地在离散粒子相和连续介质相之间交换传输了信息。4、纳米流体相较于纯液态体系具有多相特性与动态特性。通过在多尺度模型中实现纯粒子域和包含相重叠区域的整个粒子域的动态迁移,将多尺度模型拓展到了纳米流体体系。基于纳米流体多尺度模型,模拟了在平衡态和泊肃叶背景流中铜纳米颗粒的扩散和迁移特性。结果显示平衡态体系中铜纳米颗粒扩散系数和单尺度全原子分子动力学的解非常接近,误差约为2.27%。此外,推导了背景流中纳米颗粒的扩散分析模型,并基于等效粒子对流速度和表征横向迁移的无量纲数,分析了铜纳米颗粒的流动扩散特性;结果显示铜纳米颗粒会因主流增强而在流动方向上呈现扩散增强;在横向和均相方向的扩散会出现随流动协同增强的现象。此外,存在一个临界的雷诺数,泊肃叶流会使铜纳米颗粒可以发生明显的横向迁移。该论文有图40幅,表26个,参考文献187篇。