在当前及未来相当长时期内,石油依然是全球最主要的一次能源。然而进入21世纪以来,原油供应的重质化与劣质化（即高密度、高硫、高酸、高残炭、高金属含量等）程度不断加剧,且重质原油的全球储量高达石油总储量的70%。重质原油以及原油经分馏炼化后剩下的残余物（常压渣油、减压渣油等）被统称为重油,2020年我国原油加工量约8.3亿吨,其中重质原油占比高达60%以上,且原油加工所产生的渣油约3亿吨,因此重油炼化加工水平对提高石油资源利用率意义重大。重油是由沥青质、胶质、芳香分和饱和分等大分子化合物组成的复杂混合物,具有比重大、粘度高、结构复杂等特点,导致加工过程中结焦、催化剂失活、加工利用率低等问题严重。功率超声技术能够在常温常压的环境中改善重油特性或加快反应速率,在原油降粘、油砂分离、原油破乳脱盐、柴油氧化脱硫等石油化工领域得到应用并取得良好效果,在重油改质方面也具有广阔的研究前景。然而,重油介质中的超声空化以及重油乳化、破乳与改质过程的作用机理尚不完善,还有待深入研究。针对上述存在的问题,从理论分析、分子动力学仿真、实验验证等方面研究功率超声重油处理技术,具体研究内容包括如下几个方面:针对超声空化时变性强导致宏观分析难度大的问题,建立超声空化分子动力学模型,从分子层面研究稳态空化与瞬态空化的产生过程。通过优化模型的界面曲率与界面构型,获得具有稳定胶体体系结构的重油分子动力学模型。然后将上述模型相融合,建立重油中超声空化的分子动力学模型,得出在不同声压与超声频率下,重油胶体体系结构的变化规律,探究瞬态超声空化气泡溃灭的产生过程及作用效果。针对重油粘度大、声波衰减快的特点,搭建基于谱分析的重油超声空化声压测试系统,通过分析基频能量、稳态空化能量与瞬态空化能量的占比,获得换能器类型、换能器功率、介质特性对声场空化状态的影响规律。重点研究换能器作用下的瞬态空化效应,发现其仅在特定声参数范围内才具有高能量水平。基于GROMACS仿真平台,建立功率超声重油乳化分子动力学模型,获得分子运动轨迹以及分子间相互作用随声压和超声频率的变化规律。通过分子动力学仿真研究发现,水相液滴瞬态空化对界面膜的破坏是实现重油乳化的关键因素。搭建功率超声重油乳化实验装置,研究超声功率、处理时长、油水比例对乳化程度、乳状液稳定性的影响规律,验证功率超声重油乳化的产生机制,并确定功率超声重油乳化优选参数组合。针对功率超声重油破乳过程,通过优化界面膜分子数量,建立水相自发聚并的功率超声重油破乳分子动力学模型,研究不同声场参数下液滴聚并速度、分子间相互作用的变化规律。通过分子动力学仿真研究发现,强声压对仿真系统的挤压效果会促使液滴间的连续相致密排列,抑制重油破乳。搭建功率超声重油破乳实验系统,研究超声功率、处理时长、乳状液类型对超声破乳的影响规律,确定功率超声重油破乳的参数优选范围。搭建功率超声重油改质实验系统,研究空化状态、重油特性对重油粘度、重油组分、沥青质降解的影响规律,揭示功率超声重油改质的反应路径。在瞬态超声空化作用下,沥青质分子发生断链、开环等反应,并降低沥青质聚集体的缔合性,经3分钟超声处理,轻质组分含量最高提升5.17%。但处理时间过长导致沥青质发生缩合,消耗轻质组分、生成焦炭,重油品质恶化。若采用供氢剂进行协同改质,轻质组分转化率降低0.21%,但处理时长的优选参数范围拓宽至5～20分钟。