流化床技术在煤燃烧、催化反应、物料干燥等能源化工、食品加工行业中有着极其广泛的应用。掌握流化床内部气固两相流动机理是开展流化床优化设计、提高燃烧效率的基础。本人在江苏大学流体机械工程技术研究中心和美国圣路易斯华盛顿大学的联合培养下,在美国煤清洁利用联盟(Consortium for Clean Coal Utilization)项目和“动力工程及工程热物理”江苏高校优势学科项目的资助下,基于理论分析、实验测量和数值模拟等研究方法,对流化床气固两相瞬态流动开展了一系列的研究工作。本文的主要研究内容和取得的创造性成果有:(1)设计了流化床高速摄影实验台,实现流化床启动过程气固两相瞬态流动的可视化实验测量,采用床层高度、气泡当量直径对不同颗粒数、不同进口流速下的流动特性进行了量化和分析。研究发现在进口流量不变时,床层高度的变化会影响气泡的形状,但对气泡面积和气泡当量直径影响较小。进口流量是决定流动形态的主要因素,进口流量越大,气体传递给床层内颗粒的能量越大,床层高度和气泡面积越大且维持的时间越长,破碎时间越晚。在流化床的设计过程中,必须重视进口流量的合理选择。(2)通过网格无关性分析确定了适宜的网格间距,结合实验测量研究了双流体模型(TFM)和离散元模型(DEM)数值模拟结果的差异,发现TFM仅适合于大尺度的宏观分析,并不能准确地预测气泡的破碎和分层现象;相对而言,DEM预测的结果与实验更为接近,更适合流化床内部瞬态流动机理研究。对应用较为广泛的六种曳力模型分别进行了数值模拟,并将其与实验结果进行了对比,发现Gidaspow模型在床层高度以及气泡当量直径的预测中具有明显的优势,在气泡形态和压力波动等方面与实验吻合较好,能够对稠密气固两相瞬态流动进行较为准确的预测。(3)研究了进口流量对流化床内部流型的影响,发现随着流量的增加流型的转变经历了三个过程,在初期是鼓泡流态化,然后过渡到以鼓泡流态化为主导、节涌流态化并存的状态,最后呈现出鼓泡流态化和湍动流态化共存的状态。测量了流化床不同高度位置处的压力波动,分析了压力波动与流型转变过程的内在联系。发现床层压力波动特性和气泡破碎数目的变化可以作为鼓泡流态化转变为湍动流态化的重要判别指标。建立了流化床内部流型的判别式,当判别式为正时流化床处于湍动流态化,当判别式为负时流化床处于鼓泡流态化。(4)开展了不同进口位置下流化床内部气固两相瞬态流动的数值模拟和实验测量,分别从床层高度、气泡面积等流态化参数,以及气相压力场和速度矢量等角度对瞬态流动特性进行了对比分析。研究发现流化床进口位置对气泡形态和演化规律有着很大影响,越靠近右侧壁面,气泡形心向左侧倾斜的程度越大。同时,气泡出现倾斜的时刻也会随着进口位置而变化,进口位置离壁面越远,鼓泡出现倾斜的时刻会越往后延迟。进口位置对气体的逸出方式、逸出区域以及颗粒弹射方式有着很大的影响,进口位置越靠近流化床底部中心,颗粒弹射程度越剧烈,而且覆盖的区域越大。进口位置决定了流化床中的能量传递,随着进口位置远离壁面,颗粒在动能传递和位移过程中受到壁面约束的程度在逐渐降低,越来越多的颗粒可以获得有效的动能并发生位移。(5)采用离散元模拟方法研究了双进口对流化床内部气固两相瞬态流动特性的影响,对不同进口间距方案的颗粒瞬态分布、颗粒速度矢量、气相压力云图、速度流线和气相压力分布进行了对比分析。研究发现双进口比单进口可以显著降低流化床中的局部固相死区面积。当两个进口间距较远时,流化床中的气泡受到两侧壁面的影响而向中间靠拢,床层顶部出现内凹,并在气泡破裂时伴随着颗粒弹射现象;在两侧进口间距合适时,呈现出两个气泡独立发展的临界状态;进一步缩短两个进口的间距,气泡出现了合并现象。床层中距离进口越近的位置处压力越大,压力梯度由气泡中心向床层左右两侧递减。当两个进口间距较近时,气泡在向上发展的过程中会向床层左右两侧倾斜。流化床中的压力波动产生于进口处,并在向出口方向传播过程中逐渐衰减。合理的进口布置方案可以实现较为均匀的压力分布并能达到较高的气固接触效率。