海底热液蕴含着丰富的中高品位热能（热液喷口的流体温度高达400℃,热液活动的总热通量为4.11TW）和矿物资源（铁、铜、锌、铅、金、银等）。对海底热液的热能及矿产资源的开发及利用已成为当前的国际前沿热点问题。然而,海洋热液体系与岩层间的热质运移作用机制异常复杂,热液的输运伴随着热液能量损失与岩隙重构,致使热液储层的位置形貌、热流通量、喷发周期等均呈现较强的不稳定特征。现有研究多专注于喷口外部热液特征及成矿机理,而海床以下的热液形成与发展机制尚不完善,例如岩石多孔介质内多相态深海热液的流动机理不清晰,反应区内热液相变传热和水岩反应对热质输运特性的影响不明确,这些都影响着热液流速测算和储层位置及形成时间的预测,是制约海洋热液能资源主动开发的主要瓶颈。本文基于理论、模拟和实验相结合的手段,从多尺度角度（孔隙尺度和REV尺度）探究了热液能质运移过程中的传热传质及反应机理。首先,在多组分多相态热液流动行为方面,应用CT扫描实验重构了真实环境中砂岩在孔隙尺度（7）（8）=1×10-48)下的非均匀多孔介质几何模型,并在此物理模型基础上采用多松弛格子Boltzmann方法（MRT-LBM）模拟了孔隙尺度下孔隙内热液不混溶三组分流体的流动现象,并对相关影响因素（毛细数Ca、固体润湿性和流体间粘度比）的作用机制进行了数值讨论和分析,发现各组分流体的相对渗透率（6）)都随Ca数(2.2×10-5≤(6≤2.2×10-4))的变化而正相关改变,但变化幅度受润湿性的影响;另外,三相流系统中多孔介质润湿性的增强会导致润湿相流体6)的减小,但会促进其他两相流体6)的升高;当流体间粘度比大于1时,非润湿相流体会发生粘性效应且其6)随粘度比的增加而升高,其升高幅度取决于多孔介质的结构和多相流体的分布特性;而其他两相流体的6)对粘度比的变化并不敏感。此部分内容可为多孔介质内不混溶多组分多相态热液流动行为和渗透率的预测提供技术指导。除了流动方面,海底热液输运过程中反应区内所伴随的相变传热也是影响其热质运移行为的重要因素。针对此多组分热液流体的传热传质问题,我们基于Peng-Robison状态方程（EOS）开发了适用于高温高压状态下的海水状态（P-V-T）方程,随后针对多组分流体相变研究提出了一个改进的LB模型,可有效改善相变模拟过程中气液界面附近速度矢量的虚假流动和源项数值的不连续现象,并应用实验和解析解对改进模型进行了相关验证。此外,我们还通过多组分流体沸腾实验和改进模型共同探究了热液中不凝气体（NCG）存在下的热液沸腾机理,并分析了不同工况下（润湿性、Re数和系统开闭条件）NCG浓度（4.9,9.9,14.98）7)/8)~3)对热源与相邻流体间热流密度及气泡运动行为的影响,发现NCG易在气液相变界面附近形成热阻层,降低流体在相变过程中的传热及传质速率;且NCG浓度越高,这种效应越明显;在静止流体沸腾中,随着NCG浓度的增加,热流密度、气泡脱离直径和脱离周期均减小,且NCG对气泡脱离直径和脱离周期的影响随接触角的增大而趋于平稳;而在封闭空间中,固相润湿性的降低则可以有效地削弱NCG对相变过程的影响强度;在流动沸腾中,随着NCG浓度的增加,气泡脱离直径减小,而气泡脱离周期则增大,且影响强度随Re数的增加而减弱;同时随着Re数的增加,热流密度的峰值也随着热源附近对流换热强度的增强而增大。此部分可为热液热物性预测、相变传热传质等工程热物理问题提供理论和技术支持。除此之外,海底热液在输运过程中水岩反应的发生会改造岩石基质的物理结构,并耦合上述多组分多相热液的热质传递过程,多场耦合作用下进一步影响海底热液的运移规律。针对此复杂的多场耦合问题,我们在已建立的传热传质模型基础上,构建了可应用于研究多场（热-流-固-化）耦合模拟的复合LB模型,并从多尺度角度探究了反应区裂隙内酸性热液热质输运特性、水岩反应机制和裂隙形貌的演化规律,其结论如下:在孔隙尺度下,揭示了海底热液反应区独特的“气阻”效应,发现相分离对热质输运和水岩反应有明显的抑制作用,尤其是裂隙的上边界区域;且弹状流可显著抑制热质的运移,但会加速靠近裂隙入口附近固相的溶解;热液的入口速度、润湿性（θ=18~0,25.2~0,32.4~0）和裂隙开度的增加都会促进溶解反应的进行,但其溶解程度是由多相流的相分布和流态共同决定的;裂隙内下边界的溶解速率高于上边界,相较于其他影响因素（如多相流流速和流体温度）,多相流的相分布是更主要的作用因素。在表征体单元（REV）尺度下,探究了竖直裂隙型多孔介质内的热液传热传质及反应机理和热液输运管形貌的形成机制。发现当Rayleigh（Ra）数和入口流速较小时,热液流体的流动主要由多孔介质阻力作用主导,氢离子沿裂隙高度方向呈线性分布且主要分布在裂缝的下端,此工况易导致锥形裂隙的形成;当Ra数和热液入口流速较大时,热液易在裂隙顶部附近发生热可压缩效应,导致局部H+浓度升高,促进盖板的溶解;当Ra数较大时,裂缝两侧发生明显的自然对流,促使热液向裂缝两侧扩散,形成顶部金字塔形裂缝。而一旦裂缝上方的多孔介质岩石被溶穿,由于热液流动行为改变和反应产物的积累,顶部金字塔形裂缝的膨胀速度可能会减慢。此部分研究可解释多场耦合作用下的裂隙形貌形成机理和相关的热液运移机制,并为深海热液的开采及储层位置预测提供了理论支撑。