多相流系统是典型的非线性、非平衡、多尺度、复杂系统。基于非平衡统计物理的格子玻尔兹曼(lattice Boltzmann, LB)方法对该类系统的建模与模拟具有天然的自适应性。本论文从物理建模、数值算法和数据后处理三个方面发展LB方法并将其用于多相流系统的研究。主要研究内容为：(1)基于傅里叶变换(FFT)和逆变换构造了含温度场的可压FFT-TLB多相流模型。该模型能够有效抑制界面处的虚假速度,更好地保持系统总能量的数值守恒；(2)将FFT-TLB模型用于等温和非等温气液对称相分离的研究。为了实现复杂物理场信息的有效提取,将形态分析技术用于相变所形成的斑图的数据处理中,澄清了非等温相变的温度场效应；(3)利用FFT-TLB模型和形态分析技术定量研究了相分离过程中的热传导、粘性和Prandtl数效应；(4)构造了一个适用于可压流体系统的D2V19-LB模型,该模型在连续极限下给出与Euler方程一致的结果,利用该模型研究了可压开尔文-赫姆霍兹不稳定性,着重研究了速度和密度梯度效应；(5)在D2V65-LB模型的基础上,通过修改LB方程中的BGK碰撞项构造了适用于任意比热比、任意Prandtl数可压流体系统的通量限制LB模型。上述工作推进了多相流和可压流体系统介观模拟方法的发展,获得一系列新的规律和认识,为相关的工程应用提供物理支持。