作为一种重要的反应设备，循环流化床已经广泛应用在不同的工业领域。为了满足日益广泛的应用需求，之前的研究者提出并发展了变径循环流化床技术，旨在通过改善传统循环流化床中的气固两相流动结构提升反应器效率、优化工艺过程。然而，目前对变径循环流化床复杂气固两相流动特性的研究还不够深入和完善，给变径循环流化床的设计、放大和优化过程带来了一定困难，从而限制了其应用。而且之前的研究大多集中在高固体循环通量下单一扩径结构的变径循环流化床方面，对低固体循环通量或其它变径结构条件下变径循环流化床气固流动的研究相对较少。因此，亟待需要对变径循环流化床内的气固两相流动规律进行更加系统的研究。本文基于实验和计算流体力学模拟手段，在低固体循环通量工况下对具有双扩径结构的变径循环流化床进行了研究，具体内容如下：
　　1.搭建了伪二维变径循环流化床系统，利用PIV测量技术研究了固体颗粒内循环流动结构及其与变径床几何结构之间的内在关系。通过分析气固流动的速度场发现，内循环流动结构在气相湍流作用下形成了涡核区及下游延展区两部分。涡核结构尺寸随着角度增加而减小，随着直径比的增加而增加。内循环涡核区的运动强度随着直径比和高径比的增加倾向于增加；随着角度增加倾向于减弱，但延展区对扩径段内气固流动的影响增强。进一步地，借助互相关算法得到了颗粒的速度分布，颗粒轴向速度沿径向的分布随着角度增加变得陡峭，随着直径比和高径比增加变得平缓；颗粒径向速度在底部与角度呈负相关变化而在中部呈正相关变化，但随着直径比和高径比的增加均增加。
　　2.基于伪二维变径循环流化床系统，使用非侵入式测量方法研究了变径床内颗粒团簇的运动规律。发现变径段内的颗粒团簇主要分布在中心区域，具有同时向水平和垂直方向运动的趋势，随着床高增加，团簇的水平运动减弱，团簇数量减少。借助数字图像分析和自建的程序包计算得到了团簇动力学参数，发现团簇频率、停留时间和总的时间份额随着固体加载率的增加而增加；变径段内的团簇破碎运动加剧，上下扩径段中的团簇运动趋势表现出相似性。和传统循环流化床相比，变径床中间输送段内团簇的出现概率降低；在扩径段内，团簇运动在低固体加载率工况下被抑制，高固体加载率则导致团簇运动在中心区域增强但在边壁区域减弱。
　　3.构建了三维变径循环流化床系统，揭示了双扩径循环床内气固两相流体动力学特性。固体颗粒的径向分布得到改善而轴向分布在变径段发生较大波动。扩径段内固体颗粒分布沿床高逐渐变得均匀，边壁区域的返混逐渐减少甚至消失；在中间输送段内，稀相环核流动结构消失。扩径段内的气固流动结构包括中心区域悬浮向上流动和边壁区域动态内循环流动。上扩径内的气固流动发展速度比下扩径要快，且随着高度增加，两者之间的流动相似性增大。模糊均值聚类分析结果表明，低固体循环通量条件下变径循环流化床中没有发现多流态共存现象。
　　4.采用计算流体力学方法，建立了模拟颗粒示踪过程的数值模型，对气固混合特性进行研究。通过分析停留时间分布曲线发现，固体颗粒的平均停留时间随固体循环通量增加而增加，随气体速度的增加而减少，气固两相流动随固体加载率增加向混合流模式演变。借助混合扩散模型揭示了气固混合规律，固体颗粒的轴向混合程度随气体速度增加而减少，随固体循环通量增加而增加；而颗粒层面的扩散与之相反；发现气固混合过程包含床中心区域颗粒向上运动产生的混合和由气体湍流主导的内循环过程形成的混合。变径床内颗粒扩散系数较小，但总的固体混合强度比传统循环流化床大。
　　5.从非线性系统角度对采集的压力波动信号进行分析，得到了变径床内气固流动系统的非线性多尺度特征。对柯尔莫哥洛夫熵的分析结果表明，气固流动的信息损失率随固体循环通量增加而增加，随气体风速增加而减小。多分辨率分析结果表明，和传统床相比，气体和颗粒之间的相互作用增强，而且颗粒尺度的流动主导了变径循环流化床内的气固两相流动。