全球巨大的能源需求和显著的气候变化，使得深海天然气水合物（以下简称水合物）的开发成为世界各国关注的重要问题。海底甲烷泄漏在海洋中的运移过程涉及一系列复杂效应，了解海底甲烷泄漏的生态与环境效应，有助于更准确地预测气候变化、保护海洋生态、优化泄漏监测与应急响应，并推动甲烷水合物的可持续能源开发。本研究以水合物相关的海底甲烷泄漏引起的环境效应为背景，以理论、实验和数值模拟结合的方法，重点研究考虑水合物分解产物、气泡羽流结构的水体中甲烷运移规律，为未来水合物开采工程实践提供理论支撑。

首先，构建含水合物相变、传质、传热和流动的多相流动数学物理模型，给出质量、动量和能量守恒方程，水合物分解模型和组分输运方程以及初边值条件，形成具有封闭解的数学表述。通过量纲分析方法，推导得出了考虑密度分层的气-液-固多相流动问题的无量纲参数，为实验和数值模拟研究提供理论基础。

其次，设计新的对流换热条件下的纯水合物颗粒分解实验装置，研究不同粒径、不同固-液温差和不同水流速度条件下水合物的分解过程，揭示了颗粒粒径、固液温差及环境流速对水合物分解时间的影响规律，建立了水合物分解时间的无量纲表达式，为量化评估水合物分解提供了重要参考。

接着，采用示踪实验方法，研究不同边界约束效应和不同密度阶跃分层模式下气泡羽流运动特性。得到，在侧限约束较强时，不同密度分层流体的掺混表现为分界面的整体上升。小气泡的气液掺混程度随时间呈线性变化，得到掺混速率与弗劳德数的关系式；大气泡的掺混程度随时间呈抛物线变化，得到加速度与弗劳德数的关系式。在侧限约束较弱时，气泡羽流的侵入结构与密度分层高度和分界面密度梯度密切相关。底层高度较大或分界面梯度较大时，气泡羽流均在第一分界面表现出强烈侵入。实验揭示了气泡羽流的运动机制，为预测海底泄漏气体在海水中的运移路径提供了重要依据。

最后，基于欧拉-欧拉模型研究了浅土层中气体喷发多相流动规律，并通过实验验证了欧拉-欧拉模型对于多相流动研究的可靠性。进一步研究水体中羽流数对于甲烷气体运移形态和范围的影响规律。在以上基础上将欧拉-欧拉模型耦合水合物分解模型，研究了颗粒中初始水合物的质量分数和雷诺数对气体运移范围和分解过程的影响规律。研究加深了对水合物相变效应对甲烷运移影响的理解，为甲烷泄漏影响预测提供了依据。

本论文构建了含相变的气液固三相流动模型，提出了对流换热条件下分解时间经验公式和阶跃分层环境下气泡羽流结构发展规律，揭示了水合物分解与多相流动的相互作用规律，进而得到了多物理场耦合效应对泄漏甲烷运移过程的影响规律。研究成果可为深海天然气水合物开发带来的环境效应评估提供理论依据，对深海能源的可持续开发方案的制定提供参考。