气固流化床内的流动是典型的稠密气固两相流动,准确求解颗粒与流体之间的四向耦合作用是模拟这类流动的关键。直接数值模拟由于直接求解亚颗粒尺度上的流体瞬时运动控制方程,并且通过颗粒表面的无滑移速度边界条件考虑相间的耦合作用,所以具有较高的计算精度,适合被用来研究气固流化床内的微观流动机理,以及将它得到的结果作为基准数据用来检验或改进传统的双流体方法和计算流体力学耦合离散单元方法中采用的宏观模型。本文针对原有的多重直接力内嵌边界方法中存在颗粒的有效水力直径大于颗粒的真实直径的问题,基于拉格朗日力点内缩策略改进了内嵌边界方法。新方法可根据颗粒雷诺数和计算网格尺寸动态地修正流场内每个颗粒的有效水力直径,这既可以提高颗粒曳力计算的准确性,又可以改善颗粒周围流场的模拟。同时,新方法还具有良好的网格无关性能,这为大规模颗粒流系统的准确模拟奠定了坚实的基础。随后,新的内嵌边界方法又被加入了完整的软球碰撞模型以模拟颗粒碰撞过程,加入了多分散颗粒模拟策略以模拟不同尺寸的颗粒之间的相互作用。以上方法/策略都经过了多个算例的计算验证。应用改进和拓展后的内嵌边界方法,本文对小尺度浅层鼓泡床和深层鼓泡床内的颗粒流动特性、流体流动特性、颗粒混合特性和气泡动力学特性等进行了直接数值模拟研究。观察到了一些与实验结果相符合的宏观流化现象,并且还得到了一些在实验中难以测量的微观流动特性。此外,本文还对一个实验室尺度的气固流化床进行了模拟,通过将计算得到的固相速度分布与实验测量数据和离散单元模型模拟结果对比,定量验证了本文方法对气固流态化系统模拟的准确性,同时也展示了直接数值模拟对离散单元模型的优势。以流化床模拟得到的结果为样本,本文建立了床内颗粒曳力的直接数值模拟数据库。通过分析数据库发现,传统曳力模型能够从整体上捕捉流化床内颗粒的曳力随空隙率和雷诺数变化的趋势,但大多数情况下低估了颗粒曳力的大小。颗粒速度脉动雷诺数和空隙率脉动会导致流化床内颗粒曳力比静止系统颗粒曳力大,但并不是仅有的两个影响参数,更不是主要影响因素。