现代化学科学的研究,除传统的化学实验方法以外,数值计算与模拟仿真也是另一类非常重要且必不可少的方法。本论文以化学反应和团簇结构优化过程中的微动力学模拟与计算为研究主线,围绕这条主线,主要讲述了三个方面的研究内容。第一部分研究内容提出一种基于图形同构理论的动力学蒙特卡罗方法,运用一个不断变换的元胞矩阵对晶格界面的表面形貌进行数字记录和表达,并与基元反应的数字矩阵表达方式相结合。该方法可以快速处理化学反应的反应通道选择性等关键问题,具有易实现、数值计算效率高、普适性强等优点,可应用于模拟不同种类的晶格表面催化的非均相化学反应的反应网络及反应选择性等。采用该计算方法,模拟仿真了纳米多孔金(NanoPorousGold,简写成NPG)表面催化CO氧化的反应过程,揭示了反应条件(气体分压、反应温度等反应条件)对NPG表面催化CO氧化反应网络的调控规律,发现决定催化氧化反应路径的最重要因素是PCO/PO2(一氧化碳分压与氧气分压比),PCO/PO2越大,越有利于三分子反应的发生,越小,则更有利于双分子反应的发生。反应环境温度是影响反应路径的次要因素,在同等PCO/PO2比值的情况下,温度越高,CO催化氧化反应过程中由双分子反应生成的CO2占比越高,相反,温度越低,CO催化氧化反应过程中由三分子反应生成的CO2占比越高。而影响CO2生成效率的重要因素是反应环境温度,温度越高,CO2生成效率越高。第二部分研究内容为运用分子动力学方法对石化行业采油过程中使用的三类表面活性剂的驱油效能进行了对比,研究了基底的极性、水相流动对水分子通道形成和扩张速度造成的影响。通过数值仿真实验比较发现,SDBS表面活性剂的性能要优于DTAB和OP-10表面活性剂,而且基底极性对水分子通道的形成和扩张起着最为关键的作用,仿真实验表明,基底的极性越强,水分子通道更加容易形成;水相的流动会一定程度上抑制水分子通道的形成和扩张。第三部分研究内容设计了一类基于分子力场与遗传算法相结合的纳米团簇配体层最优化构型的快速搜索方法,该算法要优于一般的L-J排序算法。通过对比试验发现,该算法比常规的L-J排序算法效率提高了 7-9倍,而且该方法同样适用于结构更加复杂的配合物配体层的结构寻优过程。利用该方法,我们发现Au38S20骨架结构在金刚烷(-C10H15)配体保护下,团簇呈现出最大的配体稳定化能。同时,采用“分解-组装”方法,结合分子力学计算、密度泛函理论计算和分子轨道分析等,理论预测了 Au22(SR)18团簇内核的骨架模型。从分子轨道分析的角度,探讨了该团簇的电子稳定性根源,发现团簇中电子分布呈现出“超原子”电子结构特征。以上两个部分的理论预测结果与实验测量结果非常吻合。