气固两相流由于其非线性非平衡特性,往往呈现出复杂的多尺度非均匀结构。诸如气泡或团聚物等介尺度结构的产生,使得气固两相流中的传递过程与单相系统差别很大,其分析与模拟一直是两相流研究的热点之一。能量最小多尺度(Energy Minimization Multi-Scale,EMMS)模型考虑了气固两相流中单颗粒、团聚物及系统间的多尺度相互作用,并且从物理机制出发建立了稳定性条件,成功复现并阐释了实验中的噎塞与曳力减小等现象。本论文在EMMS模型的框架下,进一步分析了模型的数学性质和物理意义,特别是对其稳定性条件中包括的不同极值趋势的详细定量对比进一步验证了该模型中蕴含的竞争中协调的原理,改进了非均匀结构曳力的表达。本论文各章内容安排如下:第一章作为文献综述,首先阐述了气固系统中的局部和整体非均匀结构以及流域转变过程,并在此基础上调研了各种曳力模型。最后概述了研究气固两相流这类非线性非平衡系统的EMMS模型及其原理。第二章主要考察了 EMMS模型中蕴含的不同控制机制的极值趋势。首先进一步明确了 EMMS模型中各物理量的定量表达,并分析了在稳态条件下不同能耗占比的合理性。由于EMMS模型中的稳定性条件Ns= min是由气相占主导的Wst=min与固相占主导的εg = min相互协调产生的,因此考察了它们单独作用于系统时所能产生的结构,发现这两个极值趋势分别代表了非线性非平衡系统的耗散最小与耗散最大。接着研究了其他的极值趋势单独作用时所表现的行为,发现除了一些极值趋势也能反映耗散最大或最小之外,其余的极值趋势对应的结构特征参数均处于两者之间。最后考察了团聚物直径方程对于极值趋势的影响,得到了极值趋势是EMMS模型固有性质的推论。第三章基于第二章的研究结果进行了气固流态化系统的全流域分析。作为其准备工作,对最大非均匀空隙率、稀相空隙率、团聚物直径方程等进行了理论分析,获得了更自洽的表达。然后以典型的循环流化床为例,完整复现了从均匀膨胀、鼓泡、快速流化、稀相输送到理想稀相输送等一系列流域的转变。对于最大非均匀空隙率建模时遗留的待定参数进行了敏感性分析,给出了合理的取值建议。最后还考察了不同的团聚物直径方程对于噎塞预测的影响,发现目前EMMS模型中采用的方程实用性较好。第四章,根据上述研究,从工程实用的角度提出了一种简便而通用的非均匀结构曳力的表达。通过考察不同的团聚物直径方程以及不同的稳定性条件,发现网格内颗粒浓度较高时采用较大的团聚物尺寸可以避免出现不合理的曳力系数,且稳定性条件中的输送部分对于曳力影响不大。由此可以提出基于滑移速度的曳力模型,避免对于不同的操作条件重新计算曳力模型的相关参数,该模型同样适用于下行床体系。第五章总结了本论文工作的主要成果与结论,并展望了 EMMS模型进一步发展的几个重要课题。