本发明提供了一种多相流圆柱模型试验系统及试验方法，系统包括：加载结构、多相流驱替模型桶、数据采集分析系统、柔性渗流模型桶、动力控制系统，基于热蒸驱替过程中热量与蒸汽的先后及叠加施加需求，对三维多场多相介质内污染物驱替过程中的多参数测试方法进行合理配置，结合柔性壁渗流过程中的水头差控制和污染物对设备的无害化测试需求，采用水头、气压两端分别施加等方式；本发明的效果是该系统能够开展热蒸驱替过程中试样变形的阵列式测量，能够测定试验过程中试样的温度场、电导率场、水分场、基质吸力分布、土压力分布、孔隙水压力分布和污染物排出速率；还能够实现水头双向控制的柔性壁渗透三轴试验，并克服污染液对试验设备的影响。