在石油化工行业,含蜡原油输运过程中的蜡沉积会造成水平管道堵塞的严峻问题。对蜡沉积作用机理以及蜡沉积的因素和条件的了解,能够防止或减少输油管道内蜡沉积,降低输运成本,提高管道输送的安全性。水平管道内含蜡原油输送的蜡沉积现象是典型的具有多尺度流动和传热特征的非均匀液固系统,其在宏观尺度上表现为石蜡层附着在管道内表面与液相介质形成液固分层的现象;在介观尺度上表现为含蜡原油中蜡晶组分析出沉积形成蜡晶颗粒聚团的非均匀结构;在微观尺度表现为单蜡晶颗粒与周围液相原油的相互作用。由于介尺度结构的存在,使得液固两相流的相间作用机制和传热过程与均匀分布的液固系统存在差异。因此,本文从介尺度结构的角度,建立适用于非均匀液固系统的流动模型研究水平管道内含蜡原油输送过程,揭示了蜡晶颗粒形成蜡晶颗粒聚团的介尺度非均匀结构这种多尺度流动行为的流动规律。本文应用两种多尺度方法建立了水平输油管道内液固两相流动模型,对水平管道含蜡原油输送的非均匀流动特性进行了数值模拟研究,分别是基于能量分析角度的极值型能量最小多尺度方法EMMS模型（Energy Minimization Multi-Scale Model）和基于流动流型分析角度的亚格子尺度过滤模型（Filtered model）。通过EMMS模型分析不同尺度间的能量及动量交换机制,以能量消耗最小原理为稳定性条件,考虑蜡晶颗粒聚团在网格内的非均匀结构,结合流动守恒方程,构建了EMMS曳力模型;通过过滤函数对液固两相流动结构进行过滤,结合精细网格的高分辨率模拟小尺度流动结构,根据介尺度结构完全解析的模拟结果,推导出适用于粗网格模拟计算的曳力方程和颗粒相应力本构方程。此外,针对液相含蜡原油相变析出石蜡凝固和流动过程中蜡晶颗粒分散在液相原油中两个阶段,建立了水平管道含蜡原油输送过程中原油的凝固以及相间的传热模型,研究了含蜡原油输送中蜡晶的相变及原油-蜡晶颗粒液固相间传热过程。基于Eulerian-Eulerian双流体模型结合EMMS曳力模型数值模拟了水平管道含蜡原油输送的液固两相流动特性,在不同流速和初始蜡晶颗粒相体积分数条件下,得到了水平管道内蜡晶颗粒相体积分数的非均匀分布情况,以及蜡晶颗粒聚团对流动的影响。研究了蜡晶颗粒间碰撞,蜡晶颗粒聚团尺寸以及非均匀结构因子等因素,对于蜡晶颗粒聚团的介观非均匀结构在液固两相流动中能量耗散的影响。与均匀曳力模型Gidaspow模型对比,EMMS曳力模型得到的结果与实验压降数据吻合较好,EMMS模型考虑流体穿过蜡晶颗粒聚团与蜡晶颗粒绕流的液固相间作用机制与均匀模型不同。因此,EMMS模型模拟出的蜡晶颗粒在管道底部沉积的现象更加明显,能够模拟出非均匀分布的液固两相流;此外,液相原油主导机制和蜡晶颗粒主导机制之间竞争协调的系统使得动态的蜡晶颗粒聚团形成较低的势能,以获得较小的阻力和最小悬浮输送能量向管道底部聚集。基于过滤双流体模型,分别考虑了壁面效应和滑移效应,建立了三种非均匀过滤曳力模型:过滤模型（Filtered model I）,加入壁面修正的过滤模型（Filtered model II）和加入过滤滑移速度的过滤模型（Filtered model III）,数值模拟了水平管道含蜡原油输送的液固两相流动特性。过滤模型能够揭示蜡晶颗粒非均匀流动结构对液固两相流的变化规律,应用过滤曳力模型预测管道含蜡原油输送压降得到的结果精确度高于EMMS曳力模型。通过三种过滤模型模拟结果的比较,说明了滑移效应是蜡晶颗粒聚团沉积在管道底部的主要原因。过滤双流体模型能够详细地再现蜡晶颗粒聚团的介观尺度流动行为,为含蜡原油输送过程中的蜡晶聚集以及流动过程的预测提供了新的方法。基于含蜡原油的凝固以及相间的传热模型数值模拟了水平管道含蜡原油输送的传热过程。针对含蜡原油凝固析出蜡晶的相变传热过程,研究了壁面温度与原油温度差和流动速度参数变化对管道内含蜡原油温度场,液相分数和传热参数等影响。针对固相蜡晶颗粒分散在液相原油中的液固相间传热过程,研究了蜡晶颗粒平均直径,壁面温度和流动速度对管道内原油-蜡晶的液固相间对流换热效果的影响。同时,加入过滤传热相间系数的过滤曳力模型对介观尺度蜡晶颗粒聚团对液固相间的传热影响进行了研究。综上,本文通过数值模拟方法研究了水平管道内输送含蜡原油多尺度的流动特性和传热特性,构建液固系统的介观尺度科学研究的理论框架。对管道内液固两相流的流动状态以及蜡沉积的现象进行预测,揭示了输送含蜡原油过程中液固两相流动非均匀的分布规律,以及介观尺度下蜡晶颗粒聚团非均匀结构对流动和传热的影响。