加压气固流态化是一种新型的高效低碳能源利用技术,是我国实现“碳达峰”和“碳中和”目标的最具应用前景的技术之一。现有研究表明,压力引起的密度比变化,是造成加压与常压流动特性差异的本质原因,然而,密度比变化影响颗粒两相流动特性的基本规律不明。本文基于IBM-LBM-DEM,发展了一套高效高精度大规模并行计算方法,对颗粒群沉降运动的密度比效应进行了直接数值模拟研究,得到了宽密度比范围内的颗粒动力学运动特性和结构特性的变化规律。主要研究工作和结论如下:首先,针对原始直接力浸入边界法（DF-IBM）存在边界无滑移条件不完全满足的问题,提出了一种简单高效的显式改进方法——边界增厚直接力方法（BTDF-IBM）,对不同Re数下的静止与运动颗粒进行模拟,结果表明该方法的计算精度可以与其它高精度方法相当,但计算效率远超后者,特别适合于大规模颗粒两相流的模拟。进一步发现三维框架下的边界厚度值与二维框架下相当,同样能实现较好的精度,同时对双颗粒邻近时的IBM计算以及颗粒润滑力计算进行了修正。然后,基于新提出的方法发展了一套高效的IBM-LBM-DEM大规模完全分布式MPI并行计算框架PFlows,通过一系列串行和并行计算效率的优化,提出Forth-Back单套网格LBM迁移方法,实现串行优化后计算效率提高1.5～4倍左右,并行计算弱扩展和强扩展效率在最高测试4800核的规模下基本达到0.9左右。基于MPI-CUDA实现多GPU加速计算,优化后实现单卡带宽利用率达到93%,并行测试网格量和颗粒数目最大达到40亿和400万,在64卡上实现并行效率0.5～0.8左右。采用三个不同的大规模复杂颗粒两相流动算例进行了数值模拟定量验证和通用性验证。继而,模拟研究了密度比（ρ*=2～1000）对有限惯性（Re=1～100）颗粒群在不同体积分数（φ=0.01～0.5）下沉降特性的影响,考察了颗粒动力学统计量和结构特性的变化规律,结果发现:密度比的增大不会改变颗粒平均沉降速度随着体积分数的变化趋势,但会改变它们之间的函数关系逐渐偏离低密度比下的幂律关系;颗粒沉降速度、速度方差、速度方差各向异性、扩散系数均随着密度增大而先增大后减小,在ρ*≈100处发生转折,颗粒各向异性减弱。Re数的增大会增大颗粒沉降速度,较小速度方差和各向异性。随着密度比的增大,颗粒对接触处径向分布函数也先增大后减小,而低波数极限静态结构因子逐渐增大,两者的相互竞争造成了动力学特性的变化规律。最后,对多尺度计算域下可能发生稳定性转变时密度比的影响进行了DNS模拟研究,采用上文模拟得到的统计数据,结合线性稳定性理论分析预测了不同密度比下可能发生不稳定性的临界尺度,对多尺度准一维算例和准二维算例进行了DNS模拟,发现理论模型不能很好预测中等密度比下的稳定性转变过程;颗粒体积分数方差在稳定和不稳定的流动中分别呈现小幅高频震荡和大幅低频震荡;形成的一维团簇会减小颗粒沉降速度,而二维团簇会增大颗粒沉降速度;中等密度比形成的颗粒团簇比高密度比的要更小更致密一些,造成系统中强烈的对流运动和更大的速度脉动。对中等密度比的颗粒沉降进行大尺度三维DNS模拟同样发现了不稳定性的出现。本文的直接数值模拟研究工作表明,密度比对颗粒两相流动特性有重要的影响,中低密度比和中高密度比的影响趋势相反,在中等密度比下发生转折,密度比的变化通过改变颗粒的空间结构影响颗粒的动力学特性,在不同的雷诺数和体积分数下影响强度不同。这些工作将为后续研究的开展以及加压流化床应用研究奠定坚实的基础。