颗粒堆积结构中通常涉及多相间复杂的流动、传热，是工业中被广泛应用的能量交换结构。在其内部进行的流动与传热过程中，通常呈现出流体特征不稳定、堆积结构不均匀、传热机理复杂、传热规律不清楚等特征，目前尚未形成完善的理论与模型描述。本文以颗粒堆积结构为研究对象，建立其完善的传热数学模型，并基于模拟和实验研究，以分析复杂颗粒堆积结构在不同传热状态（非稳态和稳态）下的气固传热特性;并进一步构建优化模型，对堆积结构和传热系统的优化方法展开讨论。本文主要研究内容及成果如下:
　　1.开展对颗粒堆积结构传热的理论分析，采用局部非热平衡模型，建立了颗粒堆积结构在两种传热状态下的数学描述:非稳态传热数学模型和稳态传热数学模型。建模过程充分考虑了颗粒内部导热、气固对流传热、颗粒移动、壁面效应、热弥散效应和壁面热损失等因素，提高了颗粒堆积结构中气固传热模型的适用范围及准确性。
　　2.开展颗粒堆积结构非稳态传热实验研究，验证了颗粒堆积结构非稳态传热模型及模拟结果的准确性。模拟分析发现，颗粒堆积结构的两相间存在明显温差，局部热平衡模型存在明显局限性，壁面效应严重影响低管径-粒径比的颗粒堆积结构中的温度分布。此外，讨论了颗粒直径、颗粒位置、入口风速等因素对颗粒堆积结构传热特性的影响。
　　开展颗粒堆积结构稳态传热实验研究，为求解颗粒堆积结构稳态传热模型提供了初始条件与边界条件，并验证了该模型及结果的准确性。模拟得到了颗粒堆积结构在稳态传热下的气固温度场分布，分析了其稳态气固传热特性，并讨论了热弥散效应的引入对传热的影响。此外，发现颗粒移动速度对颗粒堆积结构的稳态传热过程存在重要影响。
　　3.基于颗粒堆积结构的传热特性分析，对堆积结构进行优化。采用离散元法(DEM)建立了四种颗粒堆积结构，分别为单一颗粒自由堆积模型(Randomly-UM)、双颗粒自由堆积模型(Randomly-CM)、双颗粒径向分层堆积模型(Radially-LM)、双颗粒轴向分层堆积模型(Axially-LM)。运用模拟与实验分析相结合的方法，研究了不同堆积结构的流动、传热过程。结果证明，由于低D/d的堆积结构中壁面效应的影响，导致通道中心区域比近壁面处流速低，并且温度比近壁面处高。通过不同模型的比较，发现Radially-LM的径向孔隙率分布更加均匀，使其流场和温度场获得了更加均匀的分布，减弱了壁面效应的影响。与其他模型相比，Radially-LM的流动损失更小，且传热性能更佳。最后实验拟合得到了Radially-LM的无量纲传热关联式。
　　4.建立颗粒堆积非稳态传热系统的传热特性及熵产优化模型，并对其进行分析。在分析过程中，重点讨论了颗粒直径、空气流量、进出口压降的影响。由于对流传热热阻和颗粒导热热阻的共同影响，颗粒堆积结构的综合传热系数随颗粒直径非线性变化，存在使综合传热系数最大、传热时间最小的最佳粒径，此外，颗粒直径和空气流量对熵产也存在重要影响。基于提出的非稳态熵产模型，对颗粒堆积非稳态传热系统通过多目标遗传算法进行了优化。通过优化得到了不同的风机功率下最佳的颗粒直径和进口空气流量，当风机功率为300W时，最佳颗粒直径和空气表观流速分别为0.014m和2.4m/s。该优化模型为颗粒堆积非稳态传热系统的优化设计提供了指导。
　　5.构建颗粒堆积稳态传热系统的能量流模型，并对传热系统进行优化分析。基于颗粒堆积稳态传热系统的传热特性研究，将其简化为错流换热器网络，采用能量流算法，推导了其基于冷热介质入口温度的能量流模型，并结合基尔霍夫定律建立了其等效热阻网络模型和全局约束。基于此数学模型，分别以传热和流动损失产生的熵产数为目标，应用多目标遗传算法对传热系统进行了优化。优化后，风机功耗降低了约25.44％，且热回收效率提高了11.35％。此外，局部热负荷分布的变化将影响整个系统的最优运行参数。并且优化结果也表明，当熟料粒径为0.02m时，供风系统的总能耗最低，更具经济性。该优化模型为颗粒堆积稳态传热系统的优化设计提供了指导，从而完善了不同传热状态下的颗粒堆积系统的优化模型。