作为生物质最主要的存在形态,杆状颗粒流动与传热机制的研究是开发生物质利用新工艺及优化现有工艺的基础。但由于杆状颗粒具有长轴及方向性,其流动、混合、传热等特性以及与流体之间的作用十分复杂。更好地理解和掌握杆状颗粒的流动、混合特性及传热机制,有助于更好地控制及优化相关的工业过程。滚筒干燥和流化床燃烧是生物质利用的重要单元操作,但目前关于杆状颗粒的流化特性及其中控制机制的研究仍然不足,关于杆状颗粒在流化床、滚筒等设备内的流动及混合特性研究仍然缺乏,而关于杆状颗粒间以及杆状颗粒与气体间复杂的传热行为更是迄今未见报道。因此,开展针对杆状颗粒的应用基础研究,具有十分重要的科学意义和工业应用价值。目前,随着计算机技术的快速发展,数值模拟已成为研究颗粒系统的重要工具。其中,基于颗粒轨道方法的离散单元法(Discrete Element Method,DEM)是应用较为广泛的一种数值模拟方法。本文即聚焦于非球形离散单元法所存在的一些技术难题,针对性的提出解决方案。随后,把该方法用于杆状颗粒系统的基础研究中,以探索杆状颗粒的流动、混合、传热特性及其中的控制机制。主要研究内容包括:(1)建立了可精确描述杆状颗粒运动的DEM模型及CFD-DEM模型。基于超椭球颗粒模型,开发稳定、高效的针对杆状颗粒的非球形颗粒DEM模型和算法,并与计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)相耦合,以建立CFD-DEM模型用于模拟气-固两相流体系。在DEM中,建立针对超椭球颗粒的接触模型及高效算法,并构建超椭球颗粒与设备复杂几何边界间的接触模型及高效算法。在CFD-DEM中,基于非结构化CFD网格,建立相关颗粒搜索算法,并采用将超椭球颗粒按经纬度剖分的方式计算CFD网格的空隙率和颗粒-流体间曳力,实现超椭球颗粒与流体间的双向CFD-DEM耦合。随后,通过相关实验及模拟对模型的计算效率和准确性进行了验证。验证结果表明,本文所建立的DEM模型及CFD-DEM模型对于模拟杆状颗粒的流动行为具有较高的精度,且其计算效率也较高。(2)建立了微观尺度的杆状颗粒间传热模型及杆状颗粒-流体间换热模型。利用赫兹接触理论及微分几何建立起适用于超椭球颗粒的热传导模型,并对相关算法进行了改进以提高模型的稳定性;利用IBM-LBM(Immersed Boundary Method–Lattice Boltzmann Method)全解析数值模拟方法,建立适用于单颗粒体系的杆状颗粒对流传热模型,并通过量化空隙率对传热的影响,对基于单颗粒体系的对流传热模型进行了修正使其可用于多颗粒体系。随后,把上述传热模型与DEM/CFD-DEM模型相结合以模拟杆状颗粒的传热行为,并进行了相应的流化床传热实验及模拟用以验证传热模型的精度和稳定性。验证结果表明,本文所建立的传热模型能较为准确地复现杆状颗粒的传热行为,且模型的稳定性也较好。(3)利用所建立的DEM模型、CFD-DEM模型及传热模型对杆状颗粒的流动、混合及传热行为进行数值模拟研究,获得了杆状颗粒流动、混合及传热特性。以流化床等设备为主要研究对象,通过DEM方法及CFD-DEM方法对杆状颗粒的流动与传热行为展开数值模拟,以研究单相及气固两相耦合作用下杆状颗粒的流动、混合及传热特性,阐明杆状颗粒流动特性与气体作用及固体边界等之间的相互作用机制,为能源化工过程中涉及杆状颗粒的反应、干燥、输送等过程的新工艺及新设备的研制奠定理论基础。研究结果表明,杆状颗粒在流动过程中存在明显的优先取向,操作条件、颗粒长径比等对颗粒的流动、混合及传热行为有重要影响,且这些因素之间的影响十分复杂,如流化床中颗粒长径比对流动、混合及传热特性的影响往往与流化气速等密切相关。综上所述,本文建立与完善了杆状颗粒DEM模型,并以其为主要手段对杆状颗粒的流动、混合、传热特性及其中的控制机制展开了系统的研究,研究结果可为生物质颗粒滚筒干燥工艺、流化床燃烧工艺的设计、优化、控制提供指导。