流态化技术是分散和处理纳米颗粒的最佳技术之一,由于颗粒间极强的粘性作用,纳米颗粒以聚团形式实现流态化。由于纳米颗粒流化聚团呈现高孔隙率特性,同时具有复杂多级内部结构,传统实心颗粒曳力系数模型很可能不适用,必须考虑聚团结构对其流体动力学特性的影响。本文采用模拟和实验方法,研究气体和聚团的相间作用机理,揭示聚团结构特性与其流体力学特性之间的关系,从而建立纳米颗粒流化聚团曳力系数模型,具有重要的理论和实际意义。通过固化流化聚团的切片的透射电镜图像定性揭示流化聚团的多级固体结构及多尺度孔隙结构,通过图像分析定量表征流化聚团内硬聚团和简单聚团的形貌特点及分形维数,多尺度孔隙的孔隙率及孔径分布。实验结果表明流化聚团三级结构均具有多尺度特性,硬聚团粒径在300～1000 nm之间,简单聚团粒径在1～20μm之间,流化聚团粒径在100μm～2 mm之间。硬聚团、简单聚团和流化床上部流化聚团的形状都不规则,而底部流化聚团的形状接近球形。流化聚团三级结构均具有分形特征,硬聚团和简单聚团的分形维数分别约为1.9和2.6。流化聚团的孔隙结构复杂且不均匀,具有多尺度特征。在简单聚团内部,近50%孔隙的尺寸在25 nm到100 nm之间。在简单聚团之间,近40%的孔隙大小为数百纳米,其余则为微米级孔隙。基于分形理论,建立流化聚团径向变渗透率模型。构造具有不同分形维数及粒径的模拟对象,对其在不同雷诺数下的气体绕流和穿过特性及受力特性进行模拟研究。考察分形维数、雷诺数及聚团粒径对聚团内外部速度场、压力场及流线变化的影响规律,分析上述变量对聚团曳力系数的影响规律。模拟结果表明随着雷诺数增大,穿过聚团的流体增多且聚团内部流体平均速度增大;随着分形维数或聚团粒径增大,穿过聚团的流体减少且聚团内部流体平均速度减小;随着雷诺数、分形维数或聚团粒径增大,聚团前后的压差均明显增大。分形维数不大于2.6时,曳力比随着雷诺数或分形维数的增大而增大。当雷诺数低于约100或分形维数为2.4时,曳力比均小于1。当雷诺数大于约100且分形维数为2.6和2.7时,曳力比均大于1。随着聚团粒径的增大,曳力比首先快速增大,随后基本不变。流化聚团与实心球形颗粒受力差异明显,在计算单个流化聚团受力时,将其假设为实心球形颗粒并不合理。基于模拟结果建立了基于分形维数、雷诺数和聚团粒径的曳力系数模型。开展单个流化聚团沉降实验,分析聚团沉降速度随聚团粒径及密度的变化关系,分析聚团曳力系数随雷诺数的变化关系,并与等效实心球的相应变化关系对比研究。沉降实验结果表明流化聚团与等效实心球的沉降速度差异受聚团密度影响明显。基于曳力比,对比分析了流化聚团及等效实心球之间的动力学特性的相同点及差异。流化聚团与等效实心球的受力特性差异与简单聚团间的孔隙率紧密相关。当简单聚团之间的孔隙率低于0.58、在0.58到0.77之间和大于0.77时,曳力比分别大于1、接近于1和小于1。流化聚团的渗透率应该基于简单聚团的粒径和它们之间的孔隙率来计算,采用原生纳米颗粒的粒径和流化聚团的总孔隙率的计算方法并不合理。通过实验数据验证了基于模拟结果所建立的曳力系数模型的有效性。采用双流体方法,基于已建立的聚团曳力系数模型模拟预测典型实验工况下的纳米颗粒聚团流化行为,并与应用实心球曳力系数模型及均质渗透球曳力系数模型的模拟结果进行对比。分析单一粒径和宽筛分粒径条件下不同流化风速对床层膨胀高度,轴向压力及聚团浓度分布,径向聚团浓度、气体速度及聚团速度分布等宏观流化特征的影响规律,通过与实验数据对比分析,考察所建曳力系数模型在全床模拟中的适用性。尽管渗透模型与实心球形模型的单颗粒的曳力系数差别很大,但单一粒径的模拟结果表明全床模拟结果的差异并不明显,三种模型的床层膨胀高度、轴向压力分布、轴向聚团浓度分布都较为接近,且三种模型床内径向均呈现环核流动特征。随着流化风速增大,流化床底部聚团浓度降低,上部聚团浓度增大,上部区域和全床床高均显著升高,这与实验结果相一致。考虑聚团宽筛分粒径分布的分形聚团曳力系数模型的床内轴向压力分布特性与实验结果较为一致,都呈现分区流化特性,聚团浓度沿轴向高度升高而降低。