随着我国国民经济的快速发展,对能源的需求也日益突出。中国是煤炭资源的生产和消费大国,而煤炭的开采、存储和运输、洁净化分选等过程中存在着很多基础性的科学问题亟待解决。开采出的煤炭以散体物料的形式存放于地面,是一种典型的颗粒系统。实际上,颗粒物质在我们的生活中普遍存在且被人们广为熟悉,然而由大量离散态颗粒构成的颗粒物质却呈现出其特有的运动特征。如何理解和诠释颗粒物质的奇异运动行为已经成为物理学和工程学领域中的重要挑战性问题。对颗粒物质的深入研究不仅有助于更好地理解和掌握颗粒流动的规律,而且对于化学工程中煤炭颗粒的流态化分选也具有重要意义。本文就颗粒物质振动流态化问题开展了以下4个方面的研究工作:1.基于连续介质和离散力学理论,建立了一个一维流态化颗粒系统模型。研究了在两种不同振动激励信号驱动下一维颗粒链的动力学特征。无阻尼时,波和能量的输运受能量守恒规律支配,并且能够完整传输。弱阻尼时,激励信号能够在颗粒链中完成入射和反射的传输,能量在达到极值后呈现出衰减的趋势。强阻尼时,波无法在颗粒链中完成传输,颗粒数目的增加导致阻尼效应越发显著。发现振动信号源形式的不同极大地影响了波与能量在一维颗粒系统中的传播特性并且给出了原因。2.利用离散元方法研究了颗粒物质在振动流态化前的泄流问题。发现筒仓出口间距以及倾角明显影响泄流率。出口间距的减小导致出现协同泄流效应,颗粒泄流过程中力链网络出现了断裂与重构,这种局域涨落的传递是协同泄流出现的原因。仓壁倾角的增加导致协同泄流出现的频率增加,而颗粒摩擦系数的增加导致最大泄流量呈现出减小趋势。出口间距取极限值不利于最大泄流量的出现,选择适当的出口间距有利于优化料仓颗粒的最大泄流率。3.分析了振动流态化颗粒系统内部的颗粒运动,并且在建立一个振动颗粒物质物理模型的基础上,解析性地推导出振动颗粒物质状态转移率函数。基于颗粒填充分数与状态转移率之间的关系并结合推导的状态转移率函数,给出了振动流态化颗粒系统填充分数和振动频率的公式。利用实验验证了上述公式的可靠性,并且分析了颗粒填充分数与振动频率的曲线特征。4.基于离散元方法和计算流体力学原理,研究了流态化颗粒系统(气固流化床)内颗粒的运动行为。低气速时,颗粒床气泡的体积较小,力链不容易断裂。气速的增加导致颗粒床出现空隙,力链也随之断裂,多层颗粒呈现出特有的斑图而且颗粒系统具有“呼吸”型运动特征。颗粒在接触力、引力和气流的作用下,导致流化床内部的颗粒具有随机和混沌运动行为。高气速时,流体场的流线出现弯曲和扭结现象,颗粒床内局域压强的涨落和孔隙率的分布的变化剧烈,具有准周期振荡的特征,这是颗粒床内鼓泡破裂又结合的结果。流速的增加导致摩擦能的幅度也随之增强,摩擦能出现了线性行为向非线性行为的转变。颗粒动能幅度也增加了且呈现出准周期变化,其涨落特征是流化床内颗粒群活塞性运动的结果。