细颗粒（Geldart C类颗粒）的气固流态化是典型的能量耗散系统，呈现复杂的时空多尺度特性，特别是结块 (agglomerate)等介尺度结构严重影响气固两相流的整体流化特性、传热、传质和反应效率，因此对这一结构的研究至关重要。细颗粒之间存在黏附力，导致在流态化过程中颗粒趋向于形成结块，这一非平衡介尺度结块严重限制了细颗粒流态化，细颗粒反应器的设计与放大。为此，有必要从颗粒间相互作用力出发，对细颗粒流化床中介尺度结构尤其是结块的非平衡特性展开系统深入的研究。 针对上述目标，有必要结合原子力显微镜(Atomic Force Microscope, AFM)、扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope, SEM)和颗粒跟踪测速技术(Particle Tracking Velocimetry , PTV)开展实验研究，从更为微观的角度量化细颗粒间作用力，探究颗粒间作用力对流化床中结块动力学的影响，为细颗粒流态化提供基础的理论支撑。本文主要内容和结果如下： 1、首先利用原子力显微镜分析获得颗粒表面粗糙度，将其用于修正后的颗粒间范德华力，计算颗粒间相互作用黏附力大小，并将所得黏附力代入力平衡模型，预测结块尺寸理论值；之后借助高速摄像机并结合数字图像处理技术，获取实验中观测流化床中结块的尺寸。进而对比了结块尺寸理论值与实测值，验证了引入表面粗糙度的范德华力理论的力平衡模型对结块尺寸的预测的可靠性。 2、重点考察气固流化床体系中颗粒间范德华力对形成结块尺寸的影响。首先对范德华力进行无量纲化，即求出颗粒Bo数。之后通过配置微距放大镜头的高速摄像机捕捉不同Bo数的颗粒产生的不同结块，对结块几何特性以及动力学演化特征展开研究。结果发现结块尺寸与Bo数呈线性增长关系。即随着Bo数增加，范德华力相对于其他作用力更显著，形成的结块尺寸相对于原生颗粒的增长比越大。 3、使用扫描电子显微镜探究原生颗粒的形貌特征对结块几何特征的影响。实验中观察到 SiO2 结块为典型球状结构，而Al2O3结块是片状结构。考察流态化前后原生颗粒与结块的形貌特征，分析表明，单颗粒的形貌特性影响颗粒间相互作用力，尤其是对短程相互作用，如范德华力，静电力等的取向性，进而决定颗粒形成相应结块形状的方向性。当原生颗粒为非球形片状形貌，如细颗粒之间范德华力并非各向同性，而颗粒间相互作用力的各向异性，将决定结块向线性片状结构发展。 4、最后使用高速摄像机观测实验数据对细颗粒结块展开动力学分析。细颗粒在结块流态化阶段，结块的几何特征（圆形度、Feret直径）的概率密度分布呈Gumbel分布，高速结块出现概率大于理论值，存在重尾。结块圆形度随颗粒尺寸的增加呈现出相似的递减规律，在结块形成阶段，结块随时间演化粒径逐渐减小，大粒径结块在形状上具有较高的不对称性。对结块在流化床中速度统计特性进行了实验研究，结块径向运动速度概率密度分布与高斯分布有明显偏差，实验结果可用指数函数拟合，这与颗粒气体速度分布类似，体现了细颗粒结块流态化非平衡耗散特性。实验首次给出结块尺寸与速度分布联合概率，发现其呈现一定相关关系，且与结块的各向异性特征有关。 综上所述，本论文对细颗粒（Geldart C类颗粒）流化床中结块的成因、颗粒之间范德华力的量化以及所形成结块动态非平衡特性进行了深入研究，揭示了细颗粒流化床中局域非平衡性。具体首先从表面粗糙度出发，利用高精度的AFM量化颗粒间相互作用范德华力大小；从表面形貌角度解释流化结块几何形状差异原因；考察结块的几何特性随时间演化的动态特性以及其速度概率密度分布，进一步强调定量分析微观作用力对气固流态化介尺度建模的重要性。这些结果有助于揭示流态化复杂多尺度特征背后的机制，为定量分析流场内复杂作用力对结块流化的作用建模提供原始的实验数据支持。