工程中大量存在由不同物性的颗粒组成的流态化体系,其中重质大尺度颗粒的运动行为对床内气固两相传递特征和流化床的安全稳定运行有重要影响。本文通过示踪实验、理论受力分析和数值模拟研究单个重质大颗粒在流化床密相区的运动规律和受力特征。结合电容层析成像技术(ECT)、粒子示踪思想和图像后处理方法,开发出一种可以示踪单个大颗粒在流化床密相区运动轨迹的测量方法,并分析了该示踪方法的适用性、测量稳定性和测量误差。在本文实验条件下,能够示踪到的大颗粒尺寸为测量截面的1/10,最高流化风速为临界流化风速的4.2倍,此时对大颗粒定位的误差最大,约为大颗粒粒径的20%。利用ECT示踪法,通过多次重复实验,研究不同形状、尺寸和密度的单个大颗粒在不同流化风速和布风板倾斜角的流化床内的停留时间分布(RTD)特性和运动轨迹特征。结果表明:大颗粒的运动轨迹呈现很强的反复性、不连续性和随机性,停留时间也呈现单次的不确定性和统计上的规律性。随流化风速减小,平均停留时间(MRT)先缓慢增大再急剧增大,而后变为以一定概率到达布风板低侧,最终将滞留在床内;存在使MRT急剧增大的临界转变流化风速和使大颗粒长期滞留的临界到达流化风速。随大颗粒密度、尺寸的增大,MRT先减小再增大,存在使MRT最小的大颗粒密度和粒径的组合。基于概率统计思想,将大颗粒在床内的运动状态分为:○1在布风板上运动,间或参与床层流化;○2在布风板上连续滚动/滑动;○3在布风板表面间歇运动;○4滞留在布风板上,并分析了各状态的演变历程。基于变量无量纲分析,建立了球形大颗粒在状态○2、○3下MRT和实验变量间的经验回归模型,模型对新工况预测的相对误差在±30%以内。考虑倾斜布风板作用,分析球形大颗粒在流化床近布风板密相区运动时的受力特征并建立理论受力平衡方程。在此基础上,进一步分析各实验变量对停留时间的影响,给出四种运动状态演变所需满足的力学条件。最后,利用欧拉法求取静止大颗粒在流化床密相区所受气体和细颗粒流的作用力,通过分析作用力的时均和瞬态特性,建立大颗粒在流化床中瞬时受力的动力学拟合方程组。结合受力平衡方程,并考虑气固两相流的随机脉动性,建立了大颗粒在流化床内的运动模型。根据运动学模型,利用自行编写的程序展开数值实验,将得到的停留时间与实际实验结果对比。结果表明运动学模型和计算方法涵盖了控制大颗粒运动的主要机制,可以反映大颗粒在流化床中的运动规律。