拟颗粒模拟是稀薄气体分子动力学模拟的简化方法。它在研究反应与扩散耦合行为、多孔催化剂设计与优化、高速飞行器表面性质与近壁绕流等诸多方面可以发挥重要作用。本论文主要针对工程需求完善和发展该方法。在功能完善方面，论文以甲烷和对二甲苯在沸石分子筛中的界面扩散阻力为课题，对比了不同温度下全原子软球模型和简化硬球模型的模拟结果，深入探讨了硬球-拟颗粒耦合模拟应用于气固两相流模拟的合理性与适用范围。进而针对高速流动等应用中的紧迫问题，改进了模拟的边界条件，解耦了传统周期边界下的出入口条件，并实现了圆球、圆锥和三角面元等几何边界条件，以适应各种类型的复杂流场。对比采用新边界条件的耦合模拟与绕流实验的曳力系数，验证了本模拟的可靠性。同时建立了椭球形粒子间作用的模型与算法，以更好地反映实际分子的形貌。在计算性能优化方面，论文分析了现有CPU核心算法的热点函数，优化了耗时较多的拟颗粒计算子区域，以数组替代松散连接的链表并根据实际位置分区域存储粒子，提高了缓存访问命中率。为适应分子模拟的巨大计算量，将拟颗粒模拟移植到众核计算平台，并提出了重叠链检测法、多壳层邻居列表法等创新方法，以GPU加速了拟颗粒计算。同时通过GPU与CPU异构并行模拟了高速稀薄气体近壁反应流，实现了反应-扩散-流动多尺度耦合模拟和物理问题-模型-软件-硬件的一致性，并与实验中的氧原子复合系数对比，验证了耦合模拟的准确性。本工作在新型工业装备研发及介科学研究等方面有望得到更广泛应用。