复杂流体在剪切流动中往往会表现出反常的热质传递行为。传统的简单线性本构模型不能有效描述这些传递行为,需要构建新的复杂非线性本构模型。本文主要研究高分子幂律型非牛顿流体,分散微、纳颗粒悬浮液等几类复杂流体在边界层剪切流动中的传热传质问题。引入广义幂律扩散理论与模型(N-diffusion)统一描述幂律型非牛顿流体的非线性流变与导热本构关系,并计算解决幂律流体在诸如倾斜壁面、运动壁面、抽吸/喷注、非均匀加热壁面等条件下的混合对流传热问题。幂律指数调控流体独特的非牛顿性质,其他外部条件对不同幂律流体具有相似影响。特别是利用该模型首次描述微极流体在剪切流动中因颗粒微旋转的集合效应而表现出的宏观剪切变稀特征,推广传统的线性本构模型而得到非线性的流变和导热本构关系。自主设计研发"复杂流体流变和导热一体化测试系统",首次从实验设计上实现同时监测剪切流动中的复杂流体流变和导热性能数据。通过对具体幂律型流体的实验测量和理论计算,所得结果很好的验证了广义幂律扩散模型在描述非牛顿流体依赖剪切速率热导率变化的合理性和有效性。对于粘弹性Maxwell基液分散微球的悬浮液,首次引入Cattaneo-Christov热质松弛传递本构模型,建立粘弹基微球悬浮液边界层剪切流动与传热传质的粘弹性松弛参数框架,完整地描述其反常输运过程。此外,在静态纳米流体强化热传导模型问题中,本文基于纳米颗粒界面有序层理论首次提出颗粒多级等效团聚模型。利用该模型所改进的纳米流体增强热导率预测结果不仅与许多经典实验数据很好的吻合,而且重要的组成参数,如颗粒团聚率和界面层厚度等,均证明处在合理的范围。进一步,对于非稳态剪切流动的纳米流体,本文引入依赖时间分形团聚动力学过程,将复杂的颗粒团聚效应通过分形标度律形式嵌入到纳米流体有效粘度和热导率模型中。同时定义特征时间比,巧妙地将纳米颗粒非平衡态团聚过程与纳米流体非稳态热对流过程紧密联系到一起,详细地分析了时间、分形维数及初始颗粒浓度等因素对纳米流体流动与传热的影响,特别是提出预测动量和热焓边界层厚度的经验公式。本文对一些物理问题的控制方程采取数学上必要的相似变换,在结合近似解析方法与数值方法等计算手段求解目标方程时,克服复杂本构模型带来的高度非线性难题,可方便地讨论众多物理参数对复杂流体反常输运特性的影响。