气固流态化介尺度结构及非均匀曳力模型研究

This project focuses on meso-scale structure or particle cluster and its influences on the flow dynamic and momentum transfer in gas-solid fluidization processes. Through theoretical analysis, numerical simulation and experimental measurements, this project aims to achieve the following objectives. (1) Probe the formation and evolution mechanisms of mesoscale structure and establish flow pattern adaptive mathematical models which can quantitatively describe the cluster structure. (2) Probe the influences of particle size distribution on the mesoscale structure and improve the cluster model; (3) Develop multiscale drag model for non-uniform flow systems through combining the cluster model with the multiscale energy minimization theory. Finally, incorporate the multi-scale drag model into Euler/Euler method for modeling the gas-solid non-uniform flows. The project helps to deepen the understanding of mesoscale structure and its effect on flow dynamics, improve the multiscale energy minimization theory and establish a theory foundation for the numerical simulation of large-scale fluidization system which will guide the reactor design, scale-up and operational optimization.

本项目以气固流态化系统设计、放大和操作优化为背景，研究气固流态化过程中由颗粒团聚形成的介尺度结构特性及其对流动、传递的影响。拟通过理论分析、数值模拟和实验达到以下目标：(1) 探明介尺度结构的形成和演化规律，构建流态自适应的介尺度结构数学模型；(2) 探明颗粒尺寸分布对介尺度结构的影响规律，并进行模型修正；(3) 结合最小能量理论，发展适于非均匀流动系统的多尺度曳力模型，并应用于欧拉/欧拉法对气固非均匀流动的数值模拟。研究将有助于完善最小能量理论、深化对介尺度结构行为和影响的认识，为发展大型流态化系统的数值方法，指导反应装置设计、放大和操作优化奠定理论基础。

本项目以改进气固流态化系统设计、放大和操作优化为背景，研究气固流态化过程中，由颗粒团聚形成的介尺度结构特性及其对流动和传递的影响。通过理论分析、实验和数值模拟，开展了以下三方面研究：.(1) 探明介尺度结构的形成和演化规律，构建流态自适应的介尺度结构数学模型；.(2) 探明颗粒尺寸及其分布对介尺度结果的影响规律，并修正模型；.(3) 结合最小能量理论，发展适合于非均匀流动系统的多尺度曳力模型，应用于欧拉-欧拉方法对气固非均匀流动的数值模拟。.取得如下成果：.(1).建立了复杂介尺度结构的数学模型，即介尺度结构特征参数——颗粒团密度εsc和尺寸dcl与当地颗粒浓度εs的关系；.(2).以此为核心，结合“最小能量理论”（EMMS），建立了多尺度非均匀曳力模型；.(3).提出上述模型的普适化方法，建立了流动非均匀因子与系统操作参数（空床气速Ug和颗粒质量流率Gs）的关系；.(4).对上述模型进行了多尺度验证，进而实现了一系列代表性非均匀循环流化床气固两相流动工况的准确模拟。.以上成果完善了最小能量理论，深化了对介尺度结构行为和影响的认识，为发展大型流态化系统的准确数值方法，指导反应装置设计、放大和操作优化奠定理论基础。