化学气相渗透法(CVI)是目前制备连续纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料(CMC-SiC)广泛采用并且已经商业化的方法。然而，由于沉积反应和气相传质之间的复杂关系，CVI致密化工艺控制难度大和加工周期长。计算机数值模拟有助于理解CVI工艺机理，预测致密化过程，有效分析实验数据，缩短工艺参数优化的周期，因而具有十分积极的意义，已被普遍认为是对CVI实验过程的重要补充。然而，在目前的数值模拟研究中，大部分没有充分考虑纤维编织体中常见的双尺度孔隙，不能准确估算实际预制体传质、传热能力随致密化程度的演变，因而大大影响了数值模拟的可靠性和实用性。本论文在已有实验研究基础上，利用水平集方法模拟CVI致密化过程的微结构演变，并建立合理的数学模型估算CVI致密化过程中的孔隙演变、气体输运和热量传递的变化，利用有限元方法对CVI制造过程中复合材料的多尺度致密化行为进行数值模拟和分析。主要研究内容和结果如下：1.纤维束尺度孔隙致密化建模。根据纤维束内小孔和束间大孔的结构特点，利用水平集方法模拟界面的演变，稳态传输方程检测封闭孔的形成，建立模拟孔隙演变的数学模型，运用有限单元法数值模拟了大、小孔的结构演变，分析了预制体结构对大、小孔结构演变的影响，建立了描述大、小孔的结构演变的解析模型。得到的主要结论有：（1）当束内孔隙率低于22%时，封闭小孔开始出现；（2）当束间大孔孔隙率低于18%时，封闭大孔开始出现；（3）小孔的结构演变主要与初始孔隙率和纤维束截面长径比有关；（4）大孔的结构演变主要与水平方向上孔隙宽度与纤维束距离比例相关。2.预制体尺度孔传质建模。根据预制体的结构特点，利用水平集、质量和动量守恒方程，建立了计算CVI过程气体传输能力的数学模型，运用有限元方法数值模拟了各种复合材料的气体传质能力随结构演变的变化情况，建立了估算CVI过程复合材料传质能力的解析模型。结果表明：（1）二维纤维布叠层复合材料的厚度方向的气体传质能力比面间的小一个数量级，水平方向的气体传质能力与孔隙宽度与纤维束距离之比相关，厚度方向的气体传质能力受纤维束截面的长径比和水平方向上孔隙宽度与纤维束距离比例两者影响；（2）残余孔隙率对复合材料的气体传质能力影响不可忽略；（3）预制体结构对气体渗透系数的影响远大于扩散系数。3.预制体尺度孔传热建模。根据预制体的结构特点，利用水平集和热量守恒方程，建立了计算CVI过程热量传递能力的数学模型，运用有限元方法数值模拟了各种复合材料的传热能力随结构演变的变化情况，建立了估算CVI过程复合材料传热能力的解析模型。主要结论有：（1）大、小孔的体积分数和结构特点对致密化阶段的预制体的热导率有很大的影响；（2）残余孔洞将大大降低CVI-CMC的热导率；（3）CVI-CMC的热导率不但与几何结构、组元热传导能力，还与各组元的结合和基体微裂纹情况密切相关。4.反应器尺度预制体致密化建模。根据等温化学气相渗透法(ICVI)工艺的特点，利用传质学和化学反应动力学的基本理论，建立了纤维束内小孔和纤维束间大孔CVI过程的数学模型，运用有限单元法，实现了预制体内大、小孔的ICVI过程的致密化行为的数值模拟，为耦合反应器的跨尺度数学模型提供了重要补充。建立的数学模型也可用于考察其它气相体系的CVI沉积过程的致密化行为。得到的主要结论有：（1）模拟与实验结果对比表明，在相对低温（~1000℃），相对低压（P<15kPa）的工艺条件下，纤维束内的沉积反应符合一级反应。HCl主要抑制了三氯甲基硅烷(MTS)在气相中的分解，对非均相表面反应没有明显的影响；（2）对渗透均匀性影响最大的工艺参数是温度，降低温度有利于渗透均匀性但会延长渗透时间，降低总压有利于大孔的渗透均匀性但会延长致密化时间，降低总压对小孔的渗透均匀性没有影响，MTS的摩尔分数对渗透均匀性影响不大；（3）纤维半径的减小和纤维束厚度的增加不利于小孔渗透的均匀性，预制体厚度的增加和纤维束厚度的减小不利于大孔渗透的均匀性；（4）在5kPa下，保证纤维束内小孔和大孔均匀致密的临界温度分别约为1050℃和1100℃；（5）致密化行为分为三个阶段：表面小孔控制阶段，表面大孔和内部小孔的联合控制阶段和大孔控制阶段。密度梯度在第一阶段形成，第二阶段减小，在第三阶段几乎保持不变；（6）ICVI法制备碳纤维增韧碳化硅基复合材料(Cf/SiC)时，制备温度的最优方案是前70小时950~1000℃，然后温度提升至1100℃。