流化反应系统因其独特的优越性广泛的存在于诸如能源化工、冶金材料、农业生产等诸多领域,其内部存在强烈复杂的质量和能量的传递,各参数之间相互影响,气-固非均相反应与气体均相反应过程复杂且速率迥异。气固流化反应系统是一种典型的涉及多相流、传热、反应等多物理耦合的复杂系统。一直以来,对于流化反应系统的研究主要通过实验和模拟的方法来进行,随着计算能力增强,对于流化反应系统的模拟越来越受到学者们的重视。如何在数值计算过程中实现复杂多物理系统的精准耦合模拟的同时降低计算成本是计算机模拟的关键。对于流化反应系统的模拟计算,在气固流动中耦合化学反应计算是一项不可或缺但却颇具挑战性的任务。在气固流化反应系统求解过程中,无论是对气固流动计算采用Euler-Lagrange方法还是Euler-Euler方法,对于气体均相反应和气固非均相反应的处理方法类似,都是将其作为气固连续性方程的源项处理。然而化学反应的引入为CFD计算带来了大量的耦合非线性方程,对于类似H₂燃烧这样的简单过程,也要涉及数十个基元反应,由于不同反应之间的时间常数通常相差很大,整个非线性方程组具有很强的刚性。针对复杂化学反应引入的刚性问题求解,采取基于建表理念的ISAT降阶方法计算是一种可取的方式。采用ISAT动态自适应建表方法,将系统热力学状态空间限制在反应可达区域,采用自适应算法控制插值误差,达到最小化表格规模和加快检索效率的目的,以此来实现流化反应系统刚性问题的求解。本文以鼓泡流化床气化炉反应器和流化床锅炉两种典型气固流化反应系统为研究对象,以工程热物理与能源利用的视角研究气固流化反应系统内在的动力学特性,初步建立起一种气固流化反应系统内在机理与特性的分析方法,从而为能源与化工领域中普遍涉及的多学科交叉融合与复杂耦合问题的研究提供研究支撑。本文的主要研究内容如下:1)以能源化工领域的典型生物质鼓泡气化炉这一流化反应系统为对象,分别采用基于Euler-Euler和Euler-Lagrange的TFM方法和MP-PIC方法,建立气固流化反应系统的多物理耦合求解框架,在颗粒粒径一致的假设下,对其内部气固流动和气化反应过程进行研究。在TFM方法中,床料和生物质燃料颗粒被视作连续介质进行求解计算。在MP-PIC方法中,颗粒相使用Lagrange离散颗粒描述,颗粒的运动与碰撞使用牛顿第二定律求解,使用计算颗粒的概念,将具有相同性质的颗粒打包处理,减少需要求解的颗粒数目,降低求解计算量。在建立气化反应器这一流化反应系统三维CFD模型的基础之上,针对影响气化炉合成气生成的影响因素进行分析,并对两种方法的计算结果进行对比。2)在气固流化反应系统的多物理耦合求解框架基础之上,根据流化床锅炉燃料粒径的宽筛分特性,采用粒径分布函数来描述炉内固相颗粒粒径分布,对东方锅炉3MW循环流化床试验台中粉焦流化燃烧过程使用基于Euler-Lagrange描述的MP-PIC方法进行模拟,对气固非均相反应采用离散颗粒反应模型来突出颗粒粒径对非均相反应的影响。通过试验台稳态实验数据对模型进行校核。针对影响流化床锅炉粉焦燃烧污染物排放的主要运行因素进行分析对比,得出最佳运行工况为实际电厂的运行提供参考。3)在3MW流化床锅炉试验台三维CFD计算的基础之上,针对大型工业规模的600MW超临界循环流化床锅炉,采用核-环小室模型建立整个炉膛内内部气固流化反应多物理耦合1.5D宏观模型,结合设计参数对该模型进行校核分析,对通过典型瞬态工况对模型的动态特性进行验证。4)对于包含大量化学反应的刚性偏微分方程组的流化反应系统建模,除了基于准稳态假设的机理简化方式之外,使用ISAT动态自适应建表的方法来简化刚性方程组求解,并尝试将ISAT反应降阶理论引入到流化反应系统CFD模拟中。