气固流态化系统的结构多流体模型

The optimization and amplification of gas-solid fluidized beds is a challenging problem. Its breakthrough mainly lies in the ability of cognition and regulation on multiscale structure and its effect.These structures have significant impacts on flow, transfer and reaction, resulting in incapability to predict the practical problems with two-fluid model (TFM). To be consistent with th structures, in this application we reform a set of structurer-dependent multi-scale model (SFM) after decomposing heterogeneous flow. It is pointed out that the difference between the TFM and the reduced SFM lies in the formulation of drag and stress. The balance equations of EMMS model can also be derived from SFM. These efforts fundamentally explain the rationality about coupling of the TFM and EMMS drag models, which is viewed as a simplified solution of SFM. Furthermore, we improve the cluster- and bubble-based EMMS models, and propose a new approach on the closure of structural stress. Finally, the solution of SFM was performed well and verified within wider range of flow regimes, providing suggestions to optimize the industrial reactor.

气固流化床的优化放大一直是具有挑战性的难题。其突破的关键在于认知和调控多尺度结构及其耦合影响的能力。这些结构与流动、传递及反应存在复杂的相互作用，导致平均化处理的双流体模型（Two-Fluid Model, TFM）无法准确预测工程实践问题。本研究对流态化系统进行合理的结构解析，力图构建一整套基于结构的多流体模型（Structure-dependent multi-Fluid Model, SFM）。指出其与传统TFM的本质区别在于考虑结构对曳力、应力的影响，并可以简化推导出EMMS（能量最小多尺度）模型的守恒方程。从根源上阐释当前国际上广泛使用的TFM与EMMS曳力耦合计算的合理性，其物理上相当于SFM的一种简化求解。进一步，从底层完善与发展基于团聚物和气泡的两种EMMS模型，并提出封闭结构应力的新方法。最后，在更宽流域内实现SFM的完整求解及模拟验证，为工业反应器的优化提供建议。

气固流化床广泛用于化工、石油等工业过程，床内的流动结构大都呈现出复杂的多尺度非均匀分布。而这种复杂的流动结构所引起的放大效应会增加流化床优化放大的难度，以致该类反应器的放大一直是业界极具挑战性的难题。其突破的核心在于认知与调控这种多尺度结构及其影响的能力。本项目建立了基于稀-密两相结构的多流体模型，其与传统TFM的区别在于考虑了结构对曳力、压力和应力等的影响，在网格内均匀分布假设条件下可以退化到TFM形式。而描述稳态和流化床整体行为时，则退成为EMMS（能量最小多尺度）模型的平衡方程。SFM的求解可以由TFM与EMMS曳力耦合来简化实现。随后，提出了亚网格层次气泡曳力新模型，考虑了网格内结构信息对曳力的影响。进一步，将最初的气泡EMMS模型拓展到计算网格层次，用来模拟预测鼓泡床的流动特性。改进后的气泡EMMS曳力不仅与空隙率有关，而且与计算网格内的速度直接关联。同时，建立了EMMS-mixture模型，实现建模时团聚物和气泡两种介尺度的融合。最后，将气泡EMMS曳力模型用于实际工程问题——甲醇制烯烃（MTO）反应器的模拟优化，以期实现对更大规模反应器的预测和优化分析。初步模拟结果表明，新模型能够在粗网格条件下较好预测反应器内的非均匀流动结构，轴向颗粒分布与实验数据吻合较好。在不失精度的要求下，新的曳力模型大大减少了计算工作量，提高了模拟效率，有望用于工程问题的放大与优化模拟过程。