填充介质管道流动中标量输运过程机理的实验观测、数值模拟与理论分析研究

Scalar transport processes in packed fube flows are of fundamental importance for applications such as the capture of fine particulates from the atmosphere, carbon capture and storage, ecological restoration and contaminant control in wetlands, etc. As existing researches focused only on the steady flow condition and the Taylor dispersion stage of the transport, the present project intends to take into account the periodic flow condition and the initial stage of the transport process in the most typical packed tube flows. The specific objectives of this study are (1) to establish an integrated experimental facility for the study of packed tube flow transport process, based on the variable frequency of flow control and the Laser Induced Fluorescence (LIF) techniques, and to conduct high-precision distributed dynamic experimental measurement to capture the concentration evolution behavior of scalar substances; (2) to develop massive parallel computational program based on the lattice-Boltzmann method for calculating the flow field and the random-walk particle-tracking method for capturing the tracer trajectory, and to carry out high precision numerical simulation for transport processes in packed tube flows; (3) to extend the classical Taylor dispersion analysis to determine the mechanism for the Taylor dispersion in periodic flows and understand the multi-scale asymptotic concentration variation of scalar transport at the initial stage of the transport process, with the comprehensive study on the obtained results from both the experimental measurement and numerical simulation. This study tries to explore the mechanism for transport process in packed tube flows by integrating experimental measurement, numerical simulation and analytical exploration, and to eventually provide scientific basis and technical support for relevant applications.

填充介质管道流动中标量输运过程机理对于污染物控制等高新技术领域至关重要。鉴于目前对填充介质管道流动中标量输运过程的研究尚局限于相对简单的定常流动弥散阶段，本项目拟针对更为复杂的初始过渡段和周期性流动弥散段，基于变频流动控制与激光诱导荧光测量(LIF)技术，建造填充介质管道流动（包括最基本的圆管流和二维槽道流）输运过程综合实验台架，进行高分辨率分布式动态模拟实验观测；利用格子Boltzmann方法和随机游走粒子追踪方法，开发孔隙尺度上的大规模并行计算程序，进行高精度数值模拟；拓展经典的弥散理论分析方法，结合实验观测和数值模拟结果，确定过渡段的多尺度渐进规律和周期流动弥散机理。本研究综合运用实验观测、数值模拟与解析分析，把握填充介质管道流动中标量输运过程机理，可为相关应用领域提供基本科学依据和技术支持。

填充介质管道流动中标量物质输运过程的机理对于可入肺颗粒物PM2.5的捕集、水土修复、湿地生态保护和污水处理等环境保护技术领域至关重要。本项目依照国家自然科学基金项目计划书中的研究计划，综合运用理论分析、数值模拟和实验观测，对填充介质管道流动中标量物质输运过程的机理，进行了细致深入的研究工作。此前关于填充介质管道流动中标量物质输运过程的研究，尚局限于相对简单的长时段渐进弥散阶段。本项目针对更为复杂的初始过渡段和周期性流动弥散段，基于变频流动控制与激光诱导荧光测量(LIF)技术，建造了填充介质管道流动（包括最基本的圆管流和二维槽道流）输运过程综合实验台架，进行了高分辨率分布式动态模拟实验观测；利用格子Boltzmann 方法和随机游走粒子追踪方法，开发孔隙尺度上的大规模并行计算程序，进行了高精度数值模拟；从典型填充介质管道流动与传质的基本方程出发，基于长时段渐近条件下填充介质圆管中溶质Taylor 弥散特征的研究基础，将经典的Taylor 弥散理论、Aris 浓度矩法、平均浓度展开法及多尺度摄动法等方法推广到填充介质圆管中周期流动的溶质弥散过程研究当中，深入分析了相应的多尺度演化机理和稳态特征，把握吸附与解吸、吸收与分解反应等理化与生物作用对溶质输运和转化过程的影响，确定了多种典型工况下的Taylor 弥散度，并探讨了周期流动条件下可能产生负弥散的机理；进一步推广运用多尺度摄动方法，研究了溶质在输运过程初期阶段的演化规律，系统分析了初始阶段内溶质浓度分布的不均匀性以及断面平均浓度非高斯型的分布特点，并对相应的各种理化与生物作用进行探讨；结合了经典Taylor 弥散研究的成果以及溶质传输初始阶段内输运特征的分析结果，建立了完整的关于溶质在填充介质圆管周期流动中输运过程的理论研究体系。在基础理论、数值模拟和精密实验的支撑下，确定了刻画溶质团浓度分布特征演化的基本准则，可切实应用于颗粒物捕获装置设计、水土生态环境风险评价、湿地污水处理流程优化等诸多方面，为相关应用提供了科学依据和技术支撑。