可重复使用发动机是未来航天事业重要的发展方向。在可重复使用发动机的推进剂选择上,液氧/甲烷组合相比于液氢/液氧组合及其它液氧/烃类组合有明显优势。在液氧/甲烷发动机研制及地面试验研究过程中,低温气、液态甲烷的安全处理是需要面对的重要问题之一。本文首先对气、液态甲烷的危险特性进行了分析,针对危险性最大的重气扩散过程,详细分析了其形成机理及运动规律。随后对国内外重气扩散问题的相关研究进行了全面的梳理和总结,在试验方面,介绍了Burro、Coyote和Falcon系列大型重气扩散经典试验;在理论分析和数值仿真方面,概述了典型重气扩散模型的基本原理及优缺点,针对CFD方法在重气扩散模拟上的应用进行了较为细致的介绍。然后,针对传统的单相流CFD模型不考虑液池形成、相变过程的不足,提出了本文的研究目标,即建立适用于液态甲烷大口径射流的蒸发及扩散多相流模型,充分捕捉泄放期间液池扩展、相变等过程所带来的湍流效应。为验证多相流模型的完善性与通用性,本文基于Falcon-1和Burro-8试验对模型进行了验证,并与其他模型模拟结果进行了对比。计算结果表明,多相流模型不但能准确预测下风向监测点浓度与温度,还能很好地预测水平面及展向面上的气云扩散。随后的分析表明,多相流模型的高精度是由于其更为准确地预测了泄放期间的湍流效应、温度变化以及蒸发速率的变化过程。与此同时,本文对重气扩散的特点进行了研究,结果表明重气扩散行为主要沿地表进行,大气风虽然能够一定程度上抑制其上风向与展向扩散,但是在浓度差与重力下沉现象的作用下,重气云团仍然能够在上风向、展向扩散相当远的距离。最后,本文对围堰抑制气云扩散的特点与机理进行了分析,发现围堰对气云的展向和上风向扩散都有明显的抑制作用,围堰以及挡板的存在造成了竖直方向的漩涡,气云向上爬升得更高,从而缩小了危险域范围。