在自然界和各种工业设备中,气液两相流动以及沸腾现象广泛存在。研究气液两相流动及沸腾现象,在石油工程、化学工程、核能、电力、冶金、环境保护、航空航天等领域均具有重要意义。由于两相之间存在的相互作用以及相界面的拓扑变化,导致气液两相流的机理比单相流动更为复杂。同时,气液流动过程中常常伴随着两相间的传热传质和相变现象,使得气液两相流动及沸腾过程的研究面临很大的挑战。通过分析气泡的动态行为特征来研究沸腾传热一直是研究沸腾现象的重要方法,了解气泡成核、生长以及脱离壁面等过程是认识和理解沸腾换热过程的关键。迄今为止,国内外众多研究者结合沸腾传热特性对气泡的演化行为和动态特性进行了大量的实验研究和数值模拟,但是由于气液两相流动和沸腾过程的极端复杂性,目前人们还没有从机理上完全揭示两相流动及沸腾现象的本质特征。传统的宏观数值模拟方法在模拟气液两相流动和沸腾过程时难以追踪大量细小分散的界面,而且简化假设条件较多,虽然可以描述少数大的界面运动,但是往往无法刻画出一些两相流动的细节。同时,宏观数值方法能够模拟的范围有限,当计算的网格尺寸小到一定程度时,数值计算的稳定性将面临极大的挑战。随着研究的深入,仅着眼于宏观尺度的研究方法已经无法完全满足研究和应用的需求。而基于微观尺度的模拟方法,虽然能够直接建立微观尺度的模型以反映复杂流动传热过程的内在机理,但其模拟过程涉及的分子数目十分庞大,往往超出当前的计算能力,导致无法利用微观模型实现对实际的复杂两相流动问题的研究。作为介观尺度模拟方法之一的格子Boltzmann方法,基于其本身的微观粒子的特性,通过描述不同相态粒子之间的相互作用,能够清晰地捕捉相界面,已经发展成为一种模拟多相流、相变问题的有效数值方法。与此同时,基于气液两相流动及沸腾问题本身的多尺度特性以及单一尺度的模拟研究所面临的问题,对于这类复杂问题的多尺度模拟越来越受到研究者的关注和重视。近年来,一种新型的免方程多尺度模拟框架被提出,其关键思路是绕过从微观、介观尺度模型中获取宏观模型方程这一传统过程,为复杂过程和系统的多尺度模拟提供了一种全新的思路。在这样的背景条件下,本文基于格子Boltzmann及免方程多尺度模拟方法,对气液两相的分离过程及气泡动态特性进行了深入研究。本文的主要研究内容包括以下三个方面:1)由于多相格子Boltzmann伪势模型直接通过流体粒子间的相互作用力来反映不同相态流体之间的相互作用,其作用力格式的选取方式将对模型的结果产生直接的影响。本文针对多相伪势模型中常用的作用力格式进行分析,基于Gong和Cheng对伪势模型中作用力项的改进思路,对伪势模型中的作用力格式进行了改进,进一步提升了伪势模型的稳定性和适用范围。2)根据格子Boltzmann方法和免方程多尺度模拟方法的特点,本文提出以介观LBM模型作为微细尺度模型,利用免方程多尺度方法对气液两相的分离过程进行了模拟研究。通过模拟几种不同状态方程控制下的气液两相分离过程,表明该多尺度模拟方法能够成功地实现对气液两相分离过程的模拟。并且该方法不仅能够有效地提升模型的计算效率,同时还能确保模型的准确性,充分体现了其在复杂过程或系统的模拟研究中所具有的优势。3)基于单组分伪势模型的沸腾相变模型,其相变由伪势模型中引入的气体状态方程所决定。气体状态方程虽然能够较好地反映出气液两相密度等物性参数,但是由于状态方程计算所得的压力在两相界面区域与实际压力有偏差,导致不同区域的相变量不一致,流体区域出现过冷的现象,从而使得沸腾相变过程的模拟精确度受到一定的影响。针对这一问题,本文对温度方程中与相变相关的源项进行了改进,直接引入相变潜热的计算,确保单位流体在相变过程中所吸收的热量保持恒定,避免了由状态方程计算相变潜热所引起的误差和模型的不稳定性。基于改进的相变换热模型,本文对池沸腾和流动沸腾过程中气泡的动态特性进行了模拟研究。此外,本文还通过耦合LBM和有限容积法,在靠近加热壁面的区域选取LBM模型,而在远离壁面的区域选取有限容积法,对气泡的生长、脱离过程进行了多尺度耦合模拟。本文的研究为多相流动及沸腾过程的多尺度模拟进行了有益的探索,通过建立更具实用价值的模型,更加深入地揭示了多相流动及沸腾过程的动态特性及其影响机制。