涉及到固体颗粒的两相流动过程对能源、环境和工业生产等有着十分重要的作用和影响,然而,流体-颗粒两相流动的颗粒动力学的研究都是非常复杂的,即使对于最简单的气固两相流动系统,也可能会存在着不均匀的结构,通常表现为颗粒的聚团结构。因此对流体-颗粒两相流动系统中非均匀结构的研究是至关重要的,并且具有巨大的实用价值。由于颗粒流动的非均匀结构的普遍存在,用于模拟微粒流动的数值方法需要准确地描述这种不稳定性。格子-玻尔兹曼方法是在格子气自动机理论基础上进一步发展而来的一种介观尺度数值计算方法,能够利用简单的粒子代替复杂的真实运动,该方法对于研究复杂流体-颗粒两相流动具有很大优势。因此,本文基于格子-玻尔兹曼方法的计算程序对阿基米德数(Ar)分别为Ar=71和Ar=1432时,颗粒平均体积分数分别为0.1、0.15、0.25、0.4的条件下,颗粒与流体的密度比(ρ_p/ρ_f)从2到1000变化的三维流体-颗粒两相沉降系统进行数值计算。研究结果表明,在相同阿基米德数和颗粒平均体积分数的条件下,随着密度比的增加,系统内颗粒分布结构会由均匀状态向非均匀状态变化,主要表现为塞状颗粒聚团结构。同时,不同阿基米德数和颗粒平均体积分数的系统随着密度比变化所表现出来的不均匀结构也存在差异。在本研究中,流体-颗粒两相系统所表现的结构主要分为四种:(1)稳定均匀结构,(2)不稳定混乱结构,(3)稳定致密塞状颗粒聚团结构,(4)稳定疏松塞状颗粒聚团结构。不同阿基米德数下,对于较低的两个颗粒平均体积分数,Richardson-Zaki公式对颗粒沉降速度的预测也不同;对于较高的两个颗粒平均体积分数,在系统内颗粒处于近似均匀分布时,Richardson-Zaki公式预测比较准确,但是当系统出现非均匀结构时,预测值与LBM计算值存在较大偏差。颗粒在进入聚团后,颗粒的速度降低。颗粒沉降过程中颗粒的旋转速度在各个方向上都接近于0,同时,水平方向上的颗粒旋转脉动速度大于沉降方向上的值,且进入颗粒聚团的颗粒旋转脉动速度降低。在结构不同而其它条件相同的系统中,径向分布函数也存在差异。在阿基米德数和颗粒平均体积分数相同的条件下,颗粒所受到的来自流体的力会因为非均匀结构的出现而增大,且颗粒聚团越致密,所受来自流体的力越大。在两相密度比较大的时候,颗粒所受到的虚假质量力和Magnus升力可以忽略。