磁流体是由纳米级的铁磁性或超顺磁性微细颗粒,借助于表面活性剂稳定地分散于基液(如水、油等液体)中形成的胶体悬浮液。磁流体是一种特殊的功能流体,它兼有液体和磁性材料的双重性质。在外磁场作用下,磁流体黏度、传热以及光透等性质会改变,这种特殊性质使磁流体被广泛应用于许多机械工程、医疗及热能领域。为了研究磁流体的传热和传质特性,许多数值模型被提出。常规的方法有微观的布朗动力学方法和宏观的求解NS方程方法。然而由于微观布朗动力学方法只能模拟十分有限的颗粒,因此计算空间和时间都十分有限；宏观的方法固然没有受到计算空间和时间的限制,但由于将磁流体作为单一流体考虑,所以不能研究磁流体的微观特性。格子Boltzmann(LB)方法是一种新兴的基于介观层次的数值模拟方法,它以离散的运动论和统计力学为出发点来描述流体,现己被应用于磁流体的模拟。该方法不受磁流体颗粒数的限制,而且又能反映磁流体的多相特性。尽管磁流体格子Boltzmann方法对于微通道中流动换热模拟展现了独有的优点,但对于宏观尺度的问题仍然需要巨大的计算量,同时对于微观的某些特性也没有微观方法刻画得准确。因此建立一种微观-介观或介观-宏观耦合的多尺度的分析方法将是十分有意义的。本文基于格子Boltzmann方法,根据磁流体在不同条件下的特征提出了相应的多尺度方法,分析了影响磁流体流动和换热特性的因素。研究的主要内容包括：(1)热格子-Boltzmann非均匀网格算法及应用磁流体的磁化强度随着温度的升高而降低,敏感型磁流体自循环系统就是根据此热磁特性而设计的一种自循环系统。为此本文针对曲边界热流动换热问题,建立了一种新的热格子-Boltzmann非均匀网格算法。通过对环形腔内自然对流问题的模拟并与实验和经典理论结果对照,验证了该模型的正确性。然后用此方法研究了磁流体自循环系统温度场和磁场对此系统流动的作用,分析了不同加热功率、冷却温度以及位置对系统速度的影响,以及磁场强度和磁场位置对速度的影响。(2)基于布朗动力学(BD)与LB耦合递进多尺度方法研究磁流体各向异性扩散现象磁流体在外磁场作用下表现出各向异性的扩散特性,这种特性是由其微观特性决定的,因此要研究各向异性扩散的机理必须从微观颗粒尺度出发。为此本文采用微观尺度的布朗动力学方法研究磁流体的微观特性,得到了磁流体在不同体积份额、外磁场强度等条件下的微观结构,进而得到相应结构下各个方向的热扩散系数。然后根据此微观信息得到介观尺度的格子Boltzmann方程中相关参数,如松弛因子,时间步长以及网格步长等。可以看出格子Boltzmann方程中的相关参数是随着外磁场变化而变化的。这种布朗动力学-格子Boltzmann耦合方法是一种能反映颗粒微观结构对宏观热扩散过程影响的多尺度方法。由于颗粒在外磁场作用下表现出各向异性的结构特性,因此在宏观上表现为各向异性的热扩散系数。由于现有格子Boltzmann扩散模型都是基于各向同性的,为此本文推导了一种各向异性的格子Boltzmann导热模型。为验证该各向异性格子Boltzmann方法的准确性,在此模拟一个典型的各向异性扩散过程。然后采用此布朗动力学-格子Boltzmann耦合方法研究了磁流体在不同外磁场下热扩散特性。在数值计算中由布朗动力学方法模拟相应磁场下的热扩散过程,采用各向异性格子Boltzmann方法研究宏观的热扩散过程,这样一个典型的各向异性扩散过程就可被模拟。(3)磁流体流动换热的单相-多相格子Boltzmann耦合并发多尺度研究磁流体是一种在微观尺度下表现出两相特征,在大尺度下呈现出单相特征的特殊流体。本文针对磁流体这种尺度特征,提出一种基于格子Boltzmann的单相-多相的耦合方法。该方法的基本思想是在速度和悬浮纳米粒子分布变化比较剧烈的区域采用细网格多相格子Boltzmann模型；在其他变化不太剧烈或不关心的区域视纳米流体为均匀混合的单相流体,使用粗网格单相模型。为保证不同尺度区域之间的物理信息(参数)的准确传递,本文运用质量和动量守恒原理,建立跨区域的边界耦合模型。与单纯使用多相模型相比,该耦合方法可节省大量时间。采用此耦合方法研究纳米流体在不同条件下的流动和颗粒分布特征。然后采用此模型模拟了在均匀磁场和梯度磁场条件下磁流体横掠加热细丝的对流换热过程,分析了外加磁场强度和方向对磁流体传热性能的影响。(4)磁流体流动换热的实验研究为了进一步验证上述单相格子Boltzmann-多相格子Boltzmann耦合模型,本文通过搭建试验台,研究了铂丝热线在Fe304磁流体中的对流换热过程。分析了在不同磁场下磁流体的对流换热特性,然后将实验结果与耦合模型计算得到的结果进行比较,并分析了磁场影响磁流体对流换热的机理。(5)磁流体特性应用研究及探索磁流体是一种磁化强度随着温度变化而变化的功能流体,特别对于温度敏感型磁流体其磁化强度在低温下随温度的升高而迅速降低。本文基于温度敏感型磁流体热磁效应原理设计了一种新型微小发动机系统,此系统由NdFeB永磁体、煤油基的温度敏感型磁流体和齿轮构成。齿轮是由磁流体在外磁场下引起的热对流驱动,其转速采用照相机连续拍照的方法测量。实验研究了加热功率、冷却温度、磁场分布等参数对齿轮转速的影响。该研究说明可通过控制外加磁场和温度场分布的耦合来控制该发动机系统。