气液两相流及其传热传质过程普遍存在于能源动力、石油化工、生物医药领域中,并起到至关重要的作用。随着计算能力和计算效率的极大提升,计算流体力学方法（Computational Fluid Dynamic,CFD）也被广泛应用于多相流的科学研究及工程优化领域中,也展现了巨大的优势与潜力。但是类似于沸腾换热、气液化学反应及吸收等的复杂气液两相流过程却一直是数值研究与应用的难点。近几年,多相流数值研究在界面重构技术和界面传质模型上取得了一系列进展,为解决复杂多相流问题提供了可能,但由于这些数学物理模型的构建方式不一且多闭源,极大地阻碍了模型的应用及拓展。而商业CFD求解器因其更高的实用性逐渐被广泛应用于工程及学术研究中,并发挥着举足轻重的作用。为了促进数值计算在复杂气液两相流领域的应用与发展,我们基于常用的商业CFD基础求解器,采用自定义算法（User defined algorithm）建立气液两相流传热传质数学模型,实现了对包括核沸腾、流动沸腾、物理稀释、化学吸收等复杂气液两相流热质传递问题的数值研究。为了更加准确理解气液两相流过程,本文首先对常温和低温环境下的沸腾现象进行了实验研究,研究分别采用水和液氮作为工作流体,分析了沸腾换热特性以及气泡动力学特性,实验发现沸腾过程中气泡动力学特性对换热过程有着显著影响。为了准确描述沸腾传热传质过程,我们基于CFD求解器的VOF模型（Volume of Fluid）,建立了一个综合的沸腾传热传质模型,它包括了微液膜模型、抹平蒸发相变模型,以及改进的高度函数模型。微液膜模型体现了在气液固三相接触线附近壁面附着微观液膜对气液间传热传质极大的强化作用。基于界面热阻理论建立了相变蒸发模型,并采用抹平算法使其在准确反应界面传热传质的同时也具有良好的数值稳定性。基于传统的高度函数方法（Height function method）建立了改进的高度函数模型,使其能够处理双界面问题以及带接触角的两相流问题。数值测试结果表明改进的高度函数法的界面曲率和梯度求解精度均显著优于传统Youngs方法并可有效减少非物理性对流的影响。我们采用综合沸腾模型对三种工质的静置气泡生长特性进行了数值研究,并发现计算结果与理论解能够很好吻合。随后我们采用综合模型对水和R113的池沸腾问题进行了计算研究,成功地预测了气泡的生长、脱离,接触线的扩张收缩等现象,获得了气泡内的温度分布并观测到了温度场中的“热羽生成”。然而由于模型及算法的复杂性,综合模型仅适用于二维计算,这与实际工况有着显著的区别。因而数值结果与实验结果比较也呈现了一些偏差,例如池沸腾中气泡脱离时间比实验结果长等。为了提高综合沸腾模型的计算效率,我们构建了等值追踪方法（Contour-based Tracking method）。等值追踪法基于体积分数等值面（本文采用α=0.5）构建气液相间界面并获得界面法向量及界面面积等参数。数值结果与传统的分段线性界面重构方法（PLIC）进行了比较,发现其准确性优于PLIC。随后本文采用定值界面捕捉法及抹平相变模型对液氮流动沸腾进行了二维数值研究,发现气泡受限后其增长速率显著增加,这一发现也证实了液膜层对沸腾过程中传热传质的重要作用。为了进一步提升模型的计算效率,本文建立了界面梯度传质模型。界面梯度传质模型基于界面两侧气液间的温度阶跃特性,以两侧热流密度差确定界面净传热量。为了准确获得相内的温度梯度,我们建立了界面法向定距温度获取方法。我们将界面梯度传质模型从二维拓展至三维并与CLSVOF方法结合,对微通道内气泡成长特性进行了数值研究。计算结果也与实验结果进行了比较,发现此模型能够准确的预测气泡的生长过程。基于界面梯度传质模型以及微空穴方法,本文在数值计算中完整实现了流动沸腾过程。不同于传统的种子气泡法以及微热源法,空穴法在核化点处设置一远小于通道尺寸的微空穴结构。在沸腾过程中微空穴由于相界面的存在会形成的气泡,气泡随着流动与传热过程不断的成长、脱离,并最终在细通道内受限成长为塞状和拉长气泡。计算获得了沸腾过程中的周期性的气泡形成以及沸腾流型转变过程。我们将单核化点数值结果与液氮流动沸腾的实验数据以及可视化结果进行了比较并获得了良好的一致性。基于数值计算我们能够对局部温度、气泡形态以及流场和干度特性进行细致分析,结果印证了微细通道中流型对沸腾换热的主导作用,特别是液膜层换热对局部换热的强化及主导作用。此外,计算也扩展到双核化点问题,成功的预测了核化点间的相互作用与影响,证实了模型在解决多核化点问题存在巨大潜力。随后本文对界面梯度传质模型进行了拓展及改进,实现了对气液稀释传质过程的求解。数学模型基于VOF方法并耦合了两相流组分传递方程,并通过静置和浮升气泡传质问题的数值测试验证了其准确性。随后,本文对微反应器内气泡生成及稀释传质过程进行了三维数值研究,计算实现了二氧化碳Taylor气泡在甲醇和乙醇中完整的生成、稀释以及缩减过程,计算结果也与实验结果进行了对比并吻合良好。数值计算实现了对流动以及组分传递等局部特性的定量分析,流体流动对溶解气体输运与扩散起到至关重要的作用。此外,计算实现了对局部传质速率与液膜厚度的定量分析,结果表明Taylor气泡与壁面间的薄液膜对气液传质有着极其重要的作用。研究中还将传质系数与常用的经验关联式预测值进行了比较,结果发现在快速稀释过程中,由于气泡的显著缩减,传统的基于刚性气泡假设而推导的经验式已不再适用,此时气体体积缩减对气液传质有着不容忽视的影响。相较于物理稀释过程,化学吸收过程是一个更加复杂的气液两相流传质过程,对其研究需要解决包括化学反应、相间质量传递、流场与浓度场耦合、气泡形变变化以及流体中存在污染物\活性剂等一系列问题。本文基于相间传质求解方法,构建了这一复杂过程数学模型,从而能够和沸腾以及稀释一样通过数值研究更加清晰理解这一过程,为化工流程优化、反应器设计提供可行的参考。构建的数学模型首先通过了一系列数值测试,包括求解了静置气泡稀释传质过程以及浮升气泡在流体中物理稀释过程。数学模型均能准确地预测溶解气体浓度分布以及气液界面局部传质系数、曳力系数等重要参数。随后基于此模型,本文对CO₂气泡在NaOH溶液中的化学吸收过程进行了数值研究,并采用自适应网格方法在实现了对气泡尺寸及气泡移动速度变化的捕捉,另外也添加污染物积聚模型描述污染物在气泡尾端逐渐积累引起的界面特性的变化。计算结果与实验结果吻合良好。对浓度分布及速度场的详细分析发现滞帽角及气泡界面处的流体分离对浓度边界层的分布有着显著的影响,此外数值研究也实现了对气泡界面上局部质量传递速率和化学反应速率的定量分析,发现化学反应决定着局部质量传递速率,而速度对传质的影响主要体现在是否能携带足够的氢氧根离子补充化学反应的消耗。