在现代工业中应用广泛的超轻颗粒物料,其比质量较轻,在输送过程中易受气流扰动而飘散,常采用密封性气力输送方式。颗粒特性极大影响物料气力输送特性,膨胀石墨颗粒密度只有常规材料的几十分之一,且颗粒形状为不规则蠕虫状,属于典型的超轻非球形颗粒物料。本文以膨胀石墨气力输送过程为研究对象,采用计算流体力学和离散元(CFD-DEM)方法研究了料斗卸料、气力输送和气固分离过程中的超轻颗粒气固两相流动特性,旨在揭示超轻颗粒流动机理。本文的研究工作如下。建立了膨胀石墨的非球形颗粒模型和球形颗粒模型,并标定了模型的离散元参数。基于多球元法和试验统计结果,建立了符合膨胀石墨颗粒特征的非球形颗粒模型;将试验设计方法(DoE)和试验测量值的模糊表征引入虚拟标定过程,并标定了非球形颗粒模型的离散元参数;分析了微观离散元参数对颗粒堆积响应的影响规律,并以此为依据标定了膨胀石墨等体积球模型的离散元参数;采用动态休止角试验验证了标定结果的准确性。建立了超轻颗粒的气固两相流CFD-DEM数学模型,并对模型中的关键计算参数进行了分析和确定。分析了剪切模量对膨胀石墨两相流输送的颗粒碰撞、颗粒速度分布、颗粒浓度分布及弯管后颗粒扩散的影响,在保证计算准确性的前提下,确定了使计算时间步长最大的膨胀石墨剪切模量的最小值;研究了模型中气流升力对颗粒浓度分布和受力特性的影响,确定了超轻颗粒两相流计算中升力的设置。采用膨胀石墨非球形颗粒离散元模型,开展了超轻凹形颗粒的料斗卸料特性研究,考察了料斗结构特性对卸料性能的影响。分析了锥形料斗锥顶角、出料口尺寸和料斗偏心量的影响;设计了曲线料斗并分析了出料口直径的影响;对于负压辅助卸料侧开口矩形料斗,研究了初始料层厚度和料斗结构改进的影响。研究了超轻凹形颗粒的卸料流动性,分析了颗粒压力分布和流动速度分布,揭示了起拱机理。采用直管输送CFD-DEM模型,开展了超轻膨胀石墨颗粒的水平直管气力输送特性研究。考察了管径和表观气速对两相流压降和颗粒流型的影响,得到了膨胀石墨水平输送相图;揭示了颗粒速度垂直分布规律,分析了颗粒受力特性和碰撞特性;搭建了膨胀石墨水平输送试验平台并开展了气力输送试验研究,根据试验结果验证了所建立的管道输送模型的有效性。采用旋流输送CFD-DEM模型,开展了超轻膨胀石墨颗粒的水平旋流气力输送特性研究。考察了表观气速、旋流管螺距和旋流管管长对旋流流场的影响,揭示了不同旋流流场中的两相流压降、颗粒浓度分布、颗粒速度沿程分布和碰撞特性,得到了适用于超轻颗粒输送的最优旋流管设计参数;对比分析了膨胀石墨在直管和旋流管中的流动特性,证明了旋流输送对超轻颗粒低速输送的优越性。采用气固分离CFD-DEM模型,开展了超轻膨胀石墨颗粒的旋风分离特性研究。分析了不同入口气速下分离器内的流场压力和速度,揭示了超轻颗粒的分离流型、颗粒受力特性和碰撞特性;搭建了膨胀石墨旋风分离试验平台并开展了气固分离试验研究,根据试验结果验证了气固分离仿真模型的有效性;研究了锥体长度和柱体长度对超轻颗粒分离性能的影响,优化了旋风分离器结构参数。研究表明,超轻膨胀石墨颗粒在料斗卸料、管道输送和气固分离中具有独特的气固两相流特性,采用所建立的颗粒模型和CFD-DEM方法可有效地揭示颗粒勾连成团、颗粒受力、颗粒加速特性和碰撞特性等微观机理。课题研究为超轻颗粒气力输送过程控制和系统设计提供理论参考和技术支撑。