本文涉及自然界中最普遍存在并与工业过程紧密相关的颗粒流体系统。时空多尺度结构是颗粒流体系统的典型特征，也是工业过程放大困难的根本原因。为了从源头上分析和论证多尺度结构的形成机理和统计规律，葛蔚和李静海提出了流体拟颗粒模型，将流体离散化以实现整个系统的离散模拟，显示了比从连续介质方程出发进行数值离散的网格或粒子方法在某些方面的优越性。 本文首先通过改进原有拟颗粒模型和算法，建立了粒子添加与删除模型和压力反馈控制模型，从而实现了开放区域而非周期边界的流态化系统的拟颗粒模拟。模型对不同的操作条件具有良好的稳定性，成功实现了对系统的整体行为而不仅仅是局部行为的模拟。用改进的拟颗粒模型模拟了散式、聚式流化以及鼓泡床、湍流床等不同的流化现象及其多尺度的不均匀结构。通过模拟相同空隙率而内部结构不同的系统，简要分析了团聚物以至环核结构对动量传递的影响。另外，针对流态化中的偏析现象，借助模拟分析了固体颗粒的大小与/或密度的差别对流态化偏析的影响。通过将程序并行化，还对一拥有105个固体颗粒及2.4×106个拟颗粒的流态化系统中不均匀结构的形成与演化过程进行了的模拟。 在对李静海提出的能量最小多尺度模型(EMMS)进行物理分析的基础上，提出了一种在拟颗粒模拟中量化悬浮输送能耗Nst的方法，该方法基于对每个固体颗粒当地空隙率ε的实时统计以及当地空隙率ε与悬浮输送流速Ust的关联，实现了动态模拟过程中悬浮输送能耗Nst的实时计算。通过在控制流速和控制压力两种模式下对流态化两相不均匀结构形成过程的模拟，验证了EMMS模型中关于流体用于悬浮和输送单位质量固体颗粒消耗的能量最小的假设，即Nst→min。进一步的模拟和分析表明，Nst/NT→min是能量最小假设更具普遍意义的表达形式，而颗粒、流体各自运动趋势的时空协调是颗粒流体系统的复杂性产生的根源。 作为基于拟颗粒模拟开发的离散模拟通用平台的应用，本文还实现了对颗粒流的离散模拟。颗粒物质的偏析现象在具有一定物理性质和力学特性差异的颗粒混合物的流动中非常普遍，并且其发生往往是自发的。在冶金工业的铁矿石烧结工艺中，反射板偏析布料过程正是利用了颗粒流的这一特征，将具有一定粒度分布的烧结料经反射板偏析后在台车上形成上小下大的层状分布以利烧结。为进一步增强偏析，可利用铁矿石的磁性在反射板下施加磁场。本文在继承拟颗粒模拟时间驱动算法的同时，将离散单元法用于固体颗粒的碰撞，以模拟不同磁场条件下铁矿石在反射板上的偏析布料过程，优化磁场分布。计算中，颗粒被简化为二维园碟，并以超过总量80％的四种粒径颗粒为代表，而磁场分布用Ansoft软件预先计算，并忽略矿石层本身所形成的磁场对颗粒的作用。数值模拟结果与已有实验结果符合良好，基于计算结果分析得出的磁力偏析机理已用于指导工业生产，产生了良好的经济效益和社会效益。 另外，本文还结合模拟和实验，提出了一种使从反射板落下的具有一定粒径分布的颗粒混合物进一步偏析的装置。该方法简单有效，并可在一定程度上实现颗粒混合物的两级分离。