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人类文明的进步与化石能源(特别是“黑金”石油)的利用密不可分,但化石能源的过度开采和利用引发了严重的能源和环境危机。从短期来看,缓解石油危机须有效地提高石油采收率,高效利用石油资源,并治理石油工业的环境污染。从长远的角度来看,彻底解决能源枯竭和环境污染这两大棘手的问题的出路在于发展清洁的新能源。氢能是一种可再生的清洁能源,其产生、储运以及燃料电池应用是目前能源领域的研究热点。本论文工作以三次采油和燃料电池为背景,运用分子模拟方法对若干重要过程和关键材料进行微观和动态的模拟研究。本工作包含两个部分,第一部分与石油开采和地下水污染治理有关。我们以毛细管限域流体为计算模型,运用多体耗散粒子动力学(MDPD)方法对毛细管中多种流体行为进行了多方面的研究,主要进展如下：1.毛细管中液体自发吸入和自发退出过程的MDPD模拟。建立了液体在毛细管中所形成的静态接触角与固-液相互作用力参数之间的关系,为调控液体润湿性提供依据。研究了自发吸入与自发退出过程的发生条件,并对不同浸润性的液体的动态过程进行了系统的模拟。在经过两次修正的(以动态接触角代替静态接触角、考虑惯性阻力)Lucas-Washburn方程中引入滑动距离b,并推导相应的数学公式,成功地将其应用范围拓展至不完全浸润管壁液体的自发吸入和自发退出过程。2.受外力驱动的毛细管中液-液驱替过程的MDPD模拟。建立油/水界面张力γE与油-水相互作用参数AE的对应关系,为界面张力的调控提供依据。设计受外力驱动的毛细管中液-液驱替过程的计算模型,可定量调节驱替外力f、水/毛细管界面张力γw、油/毛细管界面张力γo和油/水界面张力yE。当固定水-毛细管相互作用参数Aw、油-毛细管相互作用参数Ao和油-水相互作用参数AE只改变驱替外力f时,我们发现f必须大于临界值,驱替才能发生,并且驱替时液体流量与外力大小成正比。依据此规律,获得了模拟中启动压力fs的计算公式,讨论了参数Aw和AE对启动压力的影响；给出残油量ROC的计算方法,并讨论了参数AW、AE和f对毛细管残油量的影响。这些结果产生了一组外力驱替参数的优选原则,为实践提供有价值的参考。3.毛细管中液-液自发驱替过程的MDPD模拟。设计了合理的油/水/毛细管三相界面静态接触角计算模型,提出弯液面位置的新定义。设计毛细管中液-液自发驱替过程的计算模型,模拟了各种不同条件下的自发驱替过程。针对油/水界面不分离的情况推导了描述毛细管中液-液自发驱替过程的数学表达式,以模拟所得动态接触角代入该公式,得到了与模拟计算相吻合的预测曲线。我们进一步在该数学式中采用MKT理论描述动态接触角与弯液面运动速度之间关系的,使公式的应用不再依赖模拟所获得的动态接触角。本论文第二部分工作采用分子动力学(MD)模拟研究了燃料电池的一种新型聚电解质膜—碱性聚合物电解质(APE)膜的结构和动态性质,主要进展如下：1.将文献报道的Nafion膜模拟经验移植到对碱性聚电解质(APEs)的模拟中,研究了侧链长度不同的三种APE膜在不同含水量下的结构和动态性质。2.对特定类型的APE膜,随含水量的增加,膜的密度先增大后减小。根据该规律我们提出膜中空体积的概念,用以解释水分子进入APE膜时的填充行为,促进对聚合物膜溶胀规律的理解。3.分析了膜内多种原子(水分子中氧原子OW、氢氧根离子中氧原子Oh、季铵根离子中氮原子Nq)之间的径向分布函数(RDF),发现APE膜中季铵官能团均匀分布,氢氧根离子在含水的膜中发生电离并聚集于含水区域：APE膜存在小范围的亲水/憎水相分离结构,有别于Nafion膜的较大面积相分离结构。4.通过均方位移(MSD)的计算,分析了膜中水分子与氢氧根离子不同条件下的自扩散系数,发现两者相比Nafion膜均偏低,但两类粒子在APE膜中扩散活化能较大,提升工作温度可大幅提高APE膜离子电导。