流化床具有燃烧效率高、燃料适应性广以及反应强度高等优点,广泛应用于绿色环保、生物制药、能源化工、物料干燥等领域,在构建节能减排和可持续发展的新型产业体系中发挥着重要作用。不仅如此,在现代工、农业中还普遍存在着固体颗粒的输运、混合等实际需要,如何使得固体颗粒具有流体的性质即流态化,对于能源的有效利用有着非常重要的意义。而在气固两相流系统中,稠密颗粒的鼓泡流态化是工业中最为常见的流化形式之一。因此,基于鼓泡流化床研究颗粒与气泡之间的相互作用以及颗粒和气泡的流体力学行为,对探究鼓泡流态化机制,揭示颗粒物理特性、流化速度与鼓泡流态化的内在联系有重要的意义。本文采用高速摄影技术和Computational Fluid Dynamics(CFD)–Discrete Element Method(DEM)四向耦合数值模拟相结合的方法,通过改变流化速度和颗粒数量对鼓泡流化床进行了系统性的研究。本文的主要研究工作和取得的成果如下:(1)系统回顾了流化床技术的发展历史,概述了颗粒流态化的相关基础理论,介绍了近几年来国内外鼓泡流态化领域的研究热点与研究现状。(2)介绍了CFD-DEM四向耦合数值模拟方法的相关理论,对欧拉-欧拉模型和欧拉-拉格朗日模型的优缺点进行了比较,同时还详细对比了目前模拟稠密气固两相流中五种常见曳力模型曳力系数的区别与联系。(3)针对美国国家能源实验室于2013年发布的挑战小型流化床问题“Small-Scale Challenge Problem(SSCP-I)”,研究了不同曳力模型对气固两相流动过程的影响。分别对颗粒瞬时流动过程、颗粒的速度矢量分布、床层高度变化、气相平均压降以及颗粒时均速度等气固两相流态化特性进行了比较,结合实验数据对曳力模型进行验证性分析,为稠密气固两相流数值模拟提供了参考。(4)开展了不同颗粒数量下流化床中气固两相瞬态流动过程的实验测量与数值模拟,对气泡的流体力学行为进行了研究。结果表明:模拟在很大程度上都准确的预测了实验中气泡形态和床层高度的变化。同时在研究中发现,当颗粒数为30000个时流化床中出现了单环核流动模式,随着颗粒数增加到36500个时流化床中出现了气泡分离并形成了双环核现象,继续增加颗粒数到43000个时,流化床中同样出现了双环核现象,并且第二级环核流动模式更加复杂。从颗粒相和流体相的运动特性出发对产生这种现象的原因进行了分析与解释。(5)对不同流化速度下粒径为2.5 mm的Geldart D类颗粒进行了研究,对流化床中床层高度、气泡的当量直径以及颗粒的弹射行为等流态化参数进行了对比分析。结果表明:数值模拟能够较为准确的预测气泡形态的变化和颗粒弹射的行为。在不同的流化速度下颗粒的弹射机理不同,在低进口流量为300L/min时,弹射进自由空域中的颗粒仅来自于气泡顶部凸起的颗粒层;当流化速度增加至400 L/min时,弹射进自由空域中的颗粒不仅来自气泡顶部凸起的颗粒层,而且还有一部分来自尾涡中的颗粒。上述研究结果可以为流化床的优化设计提供参考,为进一步提高气固混合效率和燃烧效率奠定理论基础。