流化床是一种重要的工业反应器,在能源、化工、冶金等领域得到了广泛应用。流化床反应器内存在典型的稠密气固两相流反应过程,该过程具有多态(流动状态)、多尺度特点,并受到多参数(如操作参数、颗粒性质、几何结构等)、多物理场(如流场、传热场、反应场、附加场等)相互耦合作用,从而形成高度非线性的复杂时空演变特征。在流化床研究中,数值模拟能够以较低的成本,快速对不同的几何结构、运行工况进行评估,并以较高精度解析反应器内的气固流动细节,因此得到越来越多的使用。然而到目前为止,各模拟方法的可靠性仍然有待提升,对流化床气固流动规律的认识需要进一步深入。基于上述认识,本文旨在发展多尺度稠密气固两相反应流模拟方法,将CFD-DEM、Coarse-grained CFD-DEM、MP-PIC以及TFM四种主流方法从模拟冷态流动拓展到热态反应过程,对不同尺度流化床内气固流动、传热以及反应多场耦合过程进行预测,并利用一系列实验数据在不同流化床系统内对模型进行检验验证。基于上述方法,作者开展了以下几部分工作:第一部分中通过文献综述,对稠密气固两相流的不同模拟方法、重要子模型(曳力模型、碰撞模型)及其参数在不同流化条件(流态、颗粒类型、床体结构等)下的适用性(准确性、计算效率)进行了系统性评估。第二部分中对冷态流化床内进行了数值模拟研究,围绕介尺度结构(即鼓泡床中气泡与循环床中颗粒团)特性及其影响进行分析。研究了:(1)鼓泡床内不同气压下的埋管磨损行为;(2)循环床提升管内颗粒团时间演化机理与风速的影响。结果揭示了介尺度结构的演化机理与影响机制,反映了其在气固流动与混合中起到的关键作用。第三部分中对实验室热态流化床内的传热、热解、气化与燃烧过程进行模拟研究:(1)探究了喷动床中颗粒碰撞参数对流动与传热的影响,并揭示了其影响机制;(2)考察了鼓泡床生物质快速热解过程中反应颗粒尺寸/密度变化的影响,并对比了不同模拟方法在预测该过程时的异同;(3)研究了鼓泡床煤气化过程中操作参数(粒径、床温)的影响;(4)考察了鼓泡床内煤燃烧过程中二次风条件的影响,并深入分析了床内局部过热区的形成机制。上述研究着重探讨了流动、传热与燃烧过程的相互作用,以及气固混合在上述相互作用中发挥的影响。第四部分中将模拟尺度扩大到了工业尺度流化床,研究了工业300MWe循环流化床燃煤锅炉内的流动、传热与燃烧反应的耦合过程,并考察了给料方式的影响。