微纳米颗粒是指粒径在几纳米到几十微米范围内的颗粒,微纳米颗粒多相系统的研究对象是这些颗粒在流场中的动力学演变特性以及颗粒与流场之间的相互作用。微纳米颗粒在流场中除了受到流场输运作用外,通常还发生如结晶或化学反应成核、布朗凝并或湍流凝并、湍动剪切破碎、冷凝／蒸发、沉降、热泳、电泳等动力学过程,其中又以凝并、破碎、成核和沉降在工业生产和日常生活中最为常见。对微纳米颗粒动力学演变的研究目的是得到颗粒从生成到长大过程中所有的机理性信息。目前,微纳米颗粒多相系统的研究主要集中于稀相系统,即仅考虑流场对颗粒的作用而不考虑颗粒对流场的反作用。微纳米颗粒多相系统中颗粒数量巨大,即使是稀相系统,也不可能通过拉格朗日方法追踪每个颗粒的信息。而且从工程应用角度,人们更加关注颗粒群整体的统计信息,比如颗粒尺度分布、数量密度、颗粒粒径、多分散性等。因此,采用欧拉方法描述微纳米颗粒多相系统的数学模型更为合适。目前应用最广泛的是起源于Smoluchowski平均场理论的颗粒通用动力学方程(PGDE),但该方程具有强非线性,至今仍未获得完全解析解。本文通过矩方法(泰勒展开矩方法,TEMOM；传统矩方法,MOM)将PGDE转化为描述颗粒尺度分布的矩方程。求解这些矩方程可以得到各种动力学过程中颗粒的时间演变信息,将这些矩方程与流场N-S方程耦合求解,可以得到颗粒在流场中的时空演变信息。以往颗粒凝并主要采用布朗凝并核,当颗粒尺度为微米量级且处于湍流场中时,湍流剪切引起的凝并和破碎占主导地位。本文将零惯性颗粒湍流剪切凝并与破碎核代入PGDE中,首次应用TEMOM推导得到了描述颗粒剪切凝并和破碎共同作用下颗粒尺度演化的矩方程,并将该方程与平面湍射流场N-S方程耦合求解,得到了微米量级颗粒尺度演化的时空信息。当颗粒为有限惯性时,其湍流凝并核与零惯性颗粒不同,此时需考虑湍流输运效应及局部聚集效应的影响。前者用碰撞颗粒对径向相对速度描述,后者用碰撞颗粒对径向分布函数表征。本文总结前人DNS研究结果,修正零惯性颗粒湍流凝并核,得到了有限惯性颗粒的湍流剪切凝并核,并将其代入PGDE中,首次运用TEMOM方法推导得到了描述有限惯性颗粒湍流剪切凝并作用下颗粒尺度演化的矩方程。该方程与N-S方程耦合求解,得到了三维矩形槽道中有限惯性颗粒尺度演化的时空信息。大自然和人类工业生产过程中排放的一次颗粒物以及由这些颗粒生成的二次颗粒物对人类健康和自然环境产生负面影响。这些颗粒在自然降雨过程中可以被去除。本文将Slinn提出的气溶胶颗粒与雨滴的碰撞效率表示为颗粒粒径的多项式函数,将雨滴清除系数表示为颗粒粒径、雨滴粒径和雨滴速度的函数,应用传统矩方法将湿去除机制下PGDE转化为气溶胶颗粒尺度演变的矩方程,通过求解该方程得到了气溶胶颗粒尺度的时间演变过程。颗粒尺度分布通常采用单峰对数正态分布描述。但很多实验观测显示,颗粒尺度分布呈现双峰或多峰特征,多个对数正态分布之和能更准确描述颗粒分布。此时,颗粒布朗凝并存在峰内凝并和峰间凝并。本文从Muller提出的描述单峰分布颗粒凝并的动力学方程出发,首次推导得到了双峰分布颗粒布朗凝并在自由分子区和(近)连续区的矩方程,并采用调和平均方法得到了过渡区颗粒的矩方程。该方法可拓展用于推导多峰分布颗粒控制矩方程。这些矩方程被用于模拟符合实验观测数据的双峰分布颗粒的布朗凝并过程。本文的研究成果,为矩方法深入研究湍流场中颗粒凝并和破碎提供了参考,为大气中气溶胶颗粒的湿沉积提供了基础,对双峰或多峰分布颗粒布朗凝并的数学模型研究具有指导意义。