稠密气固两相流动与反应耦合机理及反应性颗粒动理学研究

本项目以燃煤流化床反应器内气固两相流动与反应过程为研究对象，建立反应性颗粒动理学，研究化学反应对颗粒碰撞过程动量和能量传递和耗散规律，分析反应性颗粒相互作用机理。建立反应性颗粒相亚格子应力模型，研究反应性颗粒非均匀流动结构对亚格子应力的贡献。建立反应性颗粒聚团效应的气体-反应性颗粒两相作用力模型和亚格子化学反应模型，研究反应性颗粒非均匀流动结构对气固动量交换和气固反应过程的影响。建立考虑反应性颗粒脉动效应的气相大涡模拟，研究气体-反应性颗粒之间的气固相间作用机理。构建喷动流化床煤燃烧试验研究平台，采用电容层析成像测量技术和CCD高速摄像仪测量喷动流化床内颗粒流动特性。采用烟气分析仪，研究喷动流化床煤燃烧产物分布特性。研究射流作用下燃煤流化床内流动和反应过程。从本质上推动对流化床气体-反应性颗粒两相流动和反应的认识，为正确预测流化床气固两相流动、化学反应和传热传质等和工程应用等奠定理论基础。

气体反应性颗粒两相流动与反应过程存在于不同工业应用领域。本项目基于颗粒动理学和化学反应动力学理论，建立了高浓度气体反应性颗粒两相流动反应模型，数值模拟了燃煤循环流化床煤燃烧反应过程，获得了循环流化床炉膛内流场特性和组分分布规律。将气泡作为介尺度结构，考虑乳化相颗粒压力与相间虚拟质量力的影响，建立了适用于低速高浓度流化床的多尺度气固相间曳力模型，对鼓泡流化床中气固流动特性进行了模拟研究，模拟结果与实验结果相吻合，同时得到了固相压力，加速度等参数与颗粒浓度的变化关系。构建了多尺度化学反应以及传热传质计算模型，对提升管反应器模拟结果表明，颗粒聚团导致密相区与稀相区的化学反应以及组分浓度分布产生明显的差异，与稀相区相比，密相区氧气摩尔分数沿轴向变化显著。对化学链燃烧过程进行了数值模拟，获得了空气反应器与燃料反应器内流场特性和气相组分以及温度场分布规律，模拟得到的反应器内压降分布与出口气体组分分布与实验结果相吻合。. 通过对含能颗粒在密闭药筒和发射药室的流动和燃烧反应过程的数值模拟。发现高浓度含能颗粒燃烧过程与低浓度含能颗粒燃烧相比会出现燃点下降、着火延迟等现象，形成合作效应。高浓度含能颗粒中颗粒会发生相互干扰，相邻含能颗粒同时燃烧将有助于热量交换，促进了含能颗粒的燃烧。建立以压力为函数的含能颗粒燃烧反应模型，研究高浓度含能颗粒的燃烧反应过程，预测气体与含能颗粒之间的相互作用。以气体与弹丸之间作用力的弹丸运动模型，模拟弹丸的运动。应用含能颗粒流动和反应模型的双流体模型，预测了含能颗粒流动与燃烧过程。. 采用电容层析成像浓度流量测试仪，进行了三维鼓泡流化床内气体-颗粒流动的实验研究，分析了鼓泡流化床内颗粒浓度分布规律。研究表明，考虑气泡影响的多尺度气固相间曳力模型可以更好地再现实验结果。通过高速摄像CCD系统，确定含能颗粒火焰的方向和位置，预测含能颗粒速度分布，实验获得含能颗粒速度的变化规律。. 本项目所提出的反应性颗粒流动与反应计算模型不仅可以用于反应性颗粒流动与反应过程的基础理论研究，同时可用于煤燃烧和含能颗粒反应等实际过程的分析，能够揭示反应性颗粒的流动和反应过程。项目发表论文28篇，其中：SCI论文16篇，获教育部高等学校科学研究优秀成果自然科学奖二等奖1项。