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快速流态化技术在化工、石化、能源、冶金等过程工业中有广泛而重要的应用前景。近年来，以快速流态化技术为核心的循环流化床提升管和下行床反应器的应用和基础研究一直是流态化研究领域的热点。但是，循环流化床在流体力学上属颗粒密相的气粒两相湍流体系，其内的两相流动、传递和反应过程具有很复杂的非线性特征。这导致目前循环流化床反应器的设计、放大和操作仍依赖于经验或半经验手段，阻碍了这类反应器的工业应用。
本论文使用计算流体力学(ComputationalFluidDynamics，CFD)技术对循环流化床内的快速流态化过程进行较全面的建模和预测，从数值模拟的角度对反应器内的气粒流动和反应行为进行研究。
论文首先在CFD单元模拟软件CFX4上开发了基于Euler方法的气粒流动数值模拟工作平台，将研究者提出的气粒双流体模型(k-ε-kp-Θ)在CFX4软件平台上编程实现，并成功地对循环流化下行床内的冷态气粒流动进行了模拟预测，再现了研究者的预测结果，验证了工作平台的可靠性。
论文还利用k-ε-kp-Θ型在建立的工作平台上对大床径下行床内的时均气粒流动以及下行床床径放大对宏观流动行为的影响进行了模拟预测和分析，预测结果表明床径增大会使下行床内的流动趋向不均匀分布。数值预测与根据实验测量结果总结的床径放大对流动的影响趋势很好地吻合，显示了计算流体力学数值模拟对于指导反应器工业放大的巨大潜力。
将k-ε-kp-Θ气粒双流体模型与具体的化学反应动力学模型耦合，经过适当简化，建立了基于计算流体力学的下行床催化裂化反应器整体数学模型。在CFX4平台上利用该模型对下行床内的催化裂化(FluidCatalyticCracking，FCC)过程进行了数值模拟，预测能同时给出反应器内的气粒流动及反应物、产物在轴径向的分布等丰富的信息。预测结果表明：当有化学反应进行时，下行床内的流动结构发生了较大变化，床径的放大会导致原料油转化率和各产物收率的下降。
进一步地，论文基于对循环流化床内密相气粒湍流运动的理解，用颗粒动力学理论(KineticTheoryofGranularFlow,KTGF)描述密相气粒流动中颗粒与颗粒间的碰撞，低Reynolds数湍流方程分别封闭气相和颗粒相的湍动，并考虑了气粒两相湍动的相互作用，建立了k-ε-kp-εp-Θ湍流气粒双流体模型。在CFX4平台上，编制了k-ε-kp-εp-Θ模型程序，并用其对循环流化床提升管内时均气粒流动进行了模拟。预测结果表明该模型能够改善对提升管内宏观流动的预测。模型中引入颗粒相湍能kp方程和湍能耗散率εp方程具有合理性，且对预测结果有显著影响，合理封闭颗粒相湍动和气粒两相间的湍动相互作用是改进颗粒密相气粒湍动双流体模型的关键因素之一。
基于k-ε-kp-εp-Θ模型对不同操作工况下多种尺寸提升管内的气粒流动进行了数值模拟和分析，重点分析了颗粒相的流动规律。研究表明：颗粒性质、反应器尺度及操作参数的变化对颗粒的宏观流动性质都有影响，但其导致流场变化的趋势和敏感程度不尽相同，表明这些参数的变化所引起的相应流动机制的变化并不一致。对提升管内颗粒相在微观和介观尺度上的流动行为进行的预测分析表明：颗粒的微观和介观流动行为与提升管内整体的流动行为有紧密联系，在模型中分别引入对这两个尺度的描述符合物理实际且必要。模拟预测的颗粒拟温度、颗粒脉动和颗粒扩散系数等物理量均与局部固含率密切相关，且表现出相似的分布规律，从数值计算的角度揭示提升管内的气粒两相流动系统中颗粒局部浓度是流动结构的重要控制因素之一，颗粒相的行为将是密相气粒流动研究需要重点考察的因素。
利用k-ε-kp-εp-Θ双流体模型对环形截面提升管内的气粒流动进行了三维数值模拟。模拟结果表明环隙提升管特殊的双壁面作用可以对提升管中径向流动结构的改善起到一定的作用。在相似操作条件下，环隙内的固含率与颗粒速度在径向分布的均匀性相比普通圆管提升管有一定程度改善，但颗粒在边壁区的浓集和回流现象仍存在。模拟结果还显示环隙提升管径向截面上流动呈不对称分布：内侧壁附近的颗粒浓度相对外侧壁较低，颗粒的轴向速度在径向的梯度相对外侧壁要高。模拟预测与实验测量揭示的规律吻合较好，从数值实验的角度证实了环隙提升管内的流动特征。