液液两相体系广泛存在于实际工业工程中，例如分散、混合、传质和反应等。转定子乳化器和转盘萃取塔（Rotating Disk Contactor, RDC）是两类化学工程领域常见的液液接触设备，具有良好的分散和混合特性，广泛应用于石化工业、生物制药、食品工业和稀土分离等众多领域。传统的实验测量由于受到设备复杂的内部结构和测量手段的制约，常常无法获取反应器内部流场、分散、混合或者传质过程的精细结构。近年来，计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）耦合（Population Balance Model，PBM）以及传质模型成为一种新的研究方法，已被广泛用于模拟转定子乳化器和转盘萃取塔。但是由于转定子乳化器和转盘萃取塔属于复杂多相流系统，这类系统涉及分子/原子、单个液滴和反应器等多层次的多尺度的问题，这极大限制了数值模拟结果的准确性，提高模型对于转定子乳化器和转盘萃取塔模拟的准确性依旧是现阶段研究的一个难点和挑战。近年来已有文献报道了采用能量最小多尺度方法（Energy-Minimization Multi-Scale，EMMS）研究气固、气液、液固、气液固和湍流系统，该方法探索如何将介尺度行为中所包含的物理约束和机理耦合到CFD模型当中，进而提高CFD模拟的准确性。然而基于此方法探索液液系统的研究却相对较少，尤其是针对转定子乳化器系统的研究工作更是鲜有报道。本论文的核心工作是针对转定子乳化器多相流系统分析其介尺度行为所包含的物理约束和机理，探索两个介尺度（乳化剂在液滴界面的吸附作用和液滴在湍流下的聚并破碎）之间的耦合方法，并在此基础上修正原有的CFD模型，建立更适用于转定子乳化器多相流系统的介尺度耦合模型。基于上述研究思路，本论文的第2章将EMMS方法拓展到转定子乳化器的液液两相流动中，通过将液滴破碎的介尺度能耗作为系统的物理约束条件，实现了对破碎模型的修正；耦合到群体平衡方程后，实现了EMMS-PBM模拟。对于含表面活性剂的MCT油-水体系，还需要考虑表面活性剂的作用。本章首先验证了无表面活性剂MCT油-水体系的EMMS-PBM模型。与仅有Alopaeus破碎模型或Alopaeus破碎模型和Prince和Blanch聚并模型的组合相比，在不同的乳化器转子转速和分散相浓度等操作条件下，新模型极大地提高了对液滴尺寸分布(drop size distribution，DSD)、Sauter平均直径和尺寸分布的中位直径与跨距的预测能力，模拟所得的转定子乳化器出口DSD与实验结果吻合较好。第3章研究了乳化过程涉及的两个层次的介尺度耦合方法（介尺度1：界面层次上的表面活性剂吸脱附，介尺度2：转定子设备层次中液滴在湍流下的聚并破碎）的。分别通过粗粒化的分子动力学（Coarse-grained Molecular Dynamics，CGMD）方法和基于能量最小多尺度方法的流体力学和群体平衡（CFD-PBM）耦合模型来研究介尺度1和2。本章建立了表面活性剂在体相和相界面的传输方程，考虑了表面活性剂的迁移规律，发展了耦合CGMD和CFD-PBM-EMMS的模型框架。CGMD模拟得到的乳化剂吸脱附参数包括表面活性剂的最大吸附密度、扩散系数和吸脱附动力学参数。通过未被表面活性剂覆盖的界面面积分率来体现表面活性剂对液滴聚并的影响。与传统的CFD-PBM模拟相比，耦合模型显著地提高了DSD、Sauter平均直径和尺寸分布的中位直径与跨距的预测能力，并且准确地反映了分散相浓度、表面活性剂浓度和转定子设备的转速等操作条件对DSD等参数的影响。不同的模拟案例验证了新模型框架的优势，表明新模型对含表面活性剂的乳液的液滴尺寸分布的准确预测方面具有很大的应用前景。第4章研究了对低粘度Solvesso 200 ND-水乳化体系，再次验证了本论文提出的CFD-MD耦合模型（介尺度1及介尺度2耦合模型）的可靠性和适用性。该耦合模型通过CFD-PBM模拟得到表面活性剂在液滴界面的吸附量，进而利用液滴界面吸附量与聚并效率修正因子的关系式计算聚并效率修正因子，最后通过修正因子来修正聚并效率，这一方法可以有效地描述表面活性剂对液滴聚并的抑制作用，从而使得CFD-PBM模拟能够准确地预测出RS乳化器出口的的DSD、中位直径、液滴尺寸分布的跨距以及d32。第5章对转盘萃取塔进行了模拟与实验研究，通过单相流CFD模拟评估了不同的湍流模型，发现SST k-ω模型能较为准确地预测塔内的速度场。通过实验方法研究了煤油进料流量和转子的转速对塔内煤油含率的影响，发现了煤油进料流量和转子的转速是全塔平均煤油含率的主要影响因素。此外，通过电阻层析成像（Electrical Resistance Tomography，ERT）研究了转盘萃取塔内分散相含率在轴向和径向上的非均匀性，发现了转子下方平面的分散相含率随轴向高度的变化规律与定子下方平面截然不同。随轴向高度的增加，转子下方平面的分散相含率单调减小，而定子下方平面的分散相含率先增大后减小。研究了转速对不同轴向高度的截面内的分散相含率的径向分布规律的影响。发现低转速下（小于500 rpm），萃取塔下半部分区域内的转子和定子下方平面内，靠近塔中心的区域的分散相含率较高，靠近塔壁附近的区域的分散相含率较低；萃取塔上半部分区域内，平面内分散相含率沿径向分布的规律则恰好相反，即塔中心附近的区域较低，壁附近的区域较高。高转速下（大于500 rpm），转子和定子下方的所有平面内的分散相含率的径向分布均呈现靠近塔中心的区域较高，塔壁附近的区域较低。本文通过分析转定子乳化器系统的多层次和多尺度特性，探究其介尺度行为所包含的物理约束和机理，提出了两个介尺度（乳化剂在液滴界面的吸附作用和液滴在湍流下的聚并破碎）之间的耦合方法，发展了耦合CGMD和CFD-PBM-EMMS的新模型框架，并在此基础上修正传统的CFD模型，建立了更适用于转定子乳化器多相流系统的介尺度模拟方法。