多尺度非均匀结构的形成机制是认识颗粒流体系统的焦点。本论文将稀相和密相加速度引入到能量最小多尺度模型(Energy Minimization Multi-Scale，EMMS)中，假设稀相加速度为零，并将密相加速度的定义由拉格朗日坐标转化到欧拉坐标，同时引入气固流动系统的整体稳定性条件-Nst=min(-Nst指全床平均的悬浮输送单位质量颗粒所消耗的能量)封闭模型，建立了EMMS轴向流体动力学模型。EMMS轴向流体动力学模型提出了气固流动中典型的变分问题，即轴向什么样的截面平均空隙率分布函数-ε(z)能够满足系统的整体稳定性条件-Nst=min？本文进一步根据截面平均空隙率轴向分布的典型实验结果实现了模型的简化求解。　　 当流化床操作在噎塞状态(PFC/FD)时，实验研究表明其截面平均空隙率的轴向分布呈现典型的S形。由于气固两相流动的非均匀性和不稳定性，S形分布过渡段的动力学特性一直是两相流研究的难点。在将轴向空隙率限定为S形的基础上，本文把EMMS轴向流体动力学模型的变分问题简化为函数值的优化问题，从理论上确定了S形分布过渡段特征长度值Z0的大小，即：表征过渡段稀相和密相过渡快慢的关键参数Z0是由气固流动的动力学和整体稳定性条件-Nst=min确定的。计算结果显示，过渡段特征长度值Z0随着气体速度的增加而增加，而模型计算的Z0值小于实验值的主要原因是EMMS轴向流体动力学模型在扩展时没有考虑径向的非均匀结构和边壁的颗粒返混。为实现工程应用，本论文进一步结合返混模型修正了Z0的计算。EMMS轴向流体动力学模型能够揭示过渡段内非均匀结构的演变规律：在宏尺度上，过渡段内轴向颗粒浓度和压降梯度逐渐降低；在介尺度上，团聚物浓度1-εc、单位体积的团聚物体积分率f×(1-εc)在加速作用下逐渐减小；在微尺度上，稀相内的颗粒速度逐渐减小，而密相内颗粒的速度逐渐增加。　　 当流化床操作在非噎塞状态(PFC，FD)时，轴向空隙率的S形分布退化为指数形分布。本文利用EMMS轴向流体动力学模型完善了空隙率S形分布形成的压降判据，完善了非噎塞状态下流化床轴向流动参数的计算，进而完善了(Ug，Gs)、(Ug，△Pimp)和(Gs，△Pimp)三种情况下的计算子模型，为形成气固流动预测软件包打下了基础。　　 为验证EMMS轴向流体动力学模型，本文利用中试规模的循环流化床装置进行实验研究，并结合IPE-ETH流化床数据库的实验结果分析了提升管内的气固动力学行为。实验结果表明，固体循环速率随着气体速度和装料量的增加而增加，颗粒直径越小，颗粒粒径分布越宽，固体循环速率越大。在给定装料量时，气体速度的增加会使循环流化床上部颗粒浓度增加，下部颗粒浓度减小；在给定气体速度时，装料量的增加会使床内相同高度的颗粒浓度都增加。　　 应用流化床数据库中的实验结果对EMMS轴向流体动力学模型进行多个操作条件下的实验验证，结果表明EMMS轴向流体动力学模型能够较好地预测中试规模的流化床提升管内的轴向压降梯度分布。进一步应用EMMS轴向流体动力学模型预测工业规模高效再生器的轴向颗粒浓度分布，计算结果与工业测量数据吻合较好。为方便应用，编制了用户界面友好的气固流动预测软件包。