仿真计算具有高精度、高效率和低成本的优势,它既是连接理论解析和实验观测的桥梁,也是深入探索复杂非线性过程的有效手段。近年来,高性能计算（High Performance Computing,HPC）技术突飞猛进,已推动计算机仿真发展成为科学研究的新范式。特别是以图形处理器（Graphics Processing Unit,GPU）为代表的多核并行技术,极大地促进了科学计算规模及计算效率的提高。在多相流研究领域,介观尺度的晶格Boltzmann方法（lattice Boltzmann method,LBM）不但同时满足热力学一致性和伽利略不变性,且具有相界面自动演化无需界面追踪的特点,成为研究多相流相变和流动的可信赖的模拟技术。GPU计算和LBM的有机结合必将发展成为刻画复杂多相流体运动细节、准确捕捉非线性演化过程的利器。广泛存在于大自然及工业应用中的液滴运动是典型多相流系统。其运动过程不但受到气液两相的相互作用影响,还受到界面区域的化学组成和物理结构的影响,是复杂的非线性过程。为了解释自然界中液滴奇特的运动方式,同时也为了在应用领域实现液滴的精确操控,本文提出了多相流LBM并行算法,并应用于微液滴运动的仿真研究,探索液滴运动的复杂变化规律。研究内容和创新点主要包含以下几部分:（1）结合GPU技术提出了二维和三维化学势多相流LBM求解器的并行算法。首先,在二维多相流求解器的并行算法中,采用交叉分块（Overlapped tiling）方法,提出了考虑周期边界及润湿边界处理的数据分块加载算法,利用共享内存实现了求解器中梯度计算的数据重用;接着,在三维的并行算法中,采用粒子群算法实现了GPU线程块组织的自动优化,借鉴标准Stencil计算的分块模式,对比了3D Blocking和2.5D Blocking两类数据分块加载模式在多相流模型中的并行效果,并针对核函数之间的读写依赖导致额外片外内存读写的问题,提出了有效地核融合设计方案。实验表明,该二维并行算法的性能比不考虑梯度计算优化的并行算法提高一倍,比CPU算法提高了400倍;在三维并行优化算法中,算法的性能比之前的CPU+Open MP算法提高了60倍以上。（2）基于介观的LBM方法和表面润湿理论,提出了异构表面上液滴宏观作用力和接触线上微观作用力的量化分析算法。基于二维并行求解器,构建了异构倾斜表面上液滴滚动模型,再现了三种液滴解钉行为。通过仿真分析发现,从宏观层面看,液滴滚动前的动态平衡反映了在液滴上重力与毛细力的相互竞争,液滴的单侧解钉伴随着毛细力的突然波动;从微观层面看,在解钉的慢移动阶段,非平衡杨氏力和来自表面的阻力维持了接触线区域的局部力的平衡,而非平衡杨氏的突然变化为解钉的快移动阶段提供了驱动力。该量化分析算法适用于各类异构表面上液滴运动现象的受力分析,如液滴弹跳,液滴分裂及曲面上液滴滚动现象等。（3）采用三维并行求解器在两类异构表面上实现了由润湿驱动的液滴被动分裂的数值建模和仿真研究。对于带有超疏水条带的亲水表面,对比分析了典型的单液桥和双液桥断裂的分裂机制,研究发现液滴分裂时间并不随条带宽度的增加而线性缩短。通过前述的受力分析工具,定量地展示了分裂过程中亲/疏水表面上表面张力的不平衡。对于Y型润湿性梯度轨道,讨论了轨道结构对液滴分裂的作用,并引入楔形分支来缩短液滴的分裂时间。（4）提出了基于状态方程的大密度比多相流LBM模型及算法。理论分析和数值验证表明该模型具有热力学一致性和伽利略不变性,符合Laplace定律。基于该模型研究了呼吸过程中细气道内液塞断裂和气溶胶微液滴的生成过程,并提出了壁面受力及动量变化的量化分析算法。仿真计算和量化分析发现,液塞断裂后气道壁面的受力更大。通过动量变化分析揭示,在液塞断裂后,形成气溶胶的中间部分带走了大部分动量,残留的两部分液体的回缩造成了对气道壁的极大冲击。