气固流化床非球形颗粒传热机制的多尺度建模研究

Full knowledge on the complex fluid-particle interaction mechanism in energy and power systems such as biomass and solid waste fluidized beds is of great importance to the scaling design and configuration optimization. In this project, numerical simulation will be employed to investigate the complex flow characteristics of heat and mass transfer in non-spherical fluidized beds together with process modelling and experimental validation. Firstly, particle scale simulations with high precision will be conducted to quantize the coupling force and heat flux in typical non-spherical particle-fluid systems. Then, these information will be used to correct the drag force and averaged Nusselt number in those efficient macro-scale models, depending on which a general multi-scale model can be established. At last, the established model, which is validated by experimental, will be adopted to investigate the heat and mass transfer behavior in a non-spherical fluidized bed and understand the essential heat transfer mechanism of non-spherical particles. The multi-scale model proposed in this project is based on the particle scale information which is extremely difficult to measure by physical experiments, the obtained results can be helpful for providing optimization policy on operating parameters and energy efficiency, which also has important significance on the development of novel fluidized art and energy-saving and emission-reduction of large industrial devices.

生物质和固废流化床等能源动力系统中气固作用机理的研究对系统结构放大、设计和优化等方面具有重要的意义。本项目以数值模拟为主要研究手段，过程建模和实验验证相结合的方式对非球形颗粒气固流化床流动和传热等复杂多尺度行为进行研究。首先采用颗粒尺度高精度数值方法模拟典型非球形颗粒-流体系统传热、传质行为，量化流固耦合力和热通量；而后采用这些信息对宏观尺度高效耦合模型中曳力和平均Nusselt数计算公式进行修正，建立通用多尺度模型。最后采用所建立模型模拟流化床反应器内流动和热量的传输过程，探索深层次非球形颗粒传热机制，并开展热态流化床实验予以验证。本项目从非球形颗粒多尺度结构形成机理出发建立通用多尺度模型，充分利用颗粒尺度数值模型给出的传统实验无法获得的微观信息，从基本原理层次为流化床操作技术和能量效率提供优化策略，研究成果将对开发新型流化床和推动大型工业装置的节能减排具有重要的现实意义。

以数值模拟为主要研究手段，过程建模和实验验证相结合的方式对非球形颗粒气固流化床流动和传热等复杂多尺度行为进行研究。首先采用颗粒全尺度解析直接数值模拟（PR-DNS）模拟典型非球形颗粒-流体系统传热、传质行为，量化流固耦合力和热通量；而后采用这些信息对曳力系数（Cd）和平均Nu数（Nu）预测关联式进行修正，建立通用多尺度模型。最后采用所建立模型模拟流化床反应器内流动和热量的传输过程，探索深层次非球形颗粒传热机制，并开展热态流化床实验予以验证。.项目的主要创新如下：.1) 结合PR-DNS和局部平均耦合法的优势，创新性地针对稠密非球形颗粒气固系统的多尺度结构在不同尺度采用不同的数值模拟算法，并将不同粒径的颗粒之间和离散颗粒信息与CFD网格储存信息之间建立有效关联。通用关联性的多尺度模型的建立是以多尺度科学为基础的过程工程学科的共性研究课题，是一项具有原创性意义的研究。.2) 充分利用PR-DNS给出的传统实验无法获得的微观和宏观信息（如颗粒作用力和流动结构）校正Cd和Nu，从而建立具有通用性的CFD-DEM耦合模型。针对实际工程问题展开新颖的研究，从基本原理层次为流化床新旧操作技术、能量效率和运行稳定性提供可靠的评估以及设计和操作优化策略。.本项目从非球形颗粒多尺度结构形成机理出发建立通用多尺度模型，充分利用数值模拟给出的传统实验无法获得的微观信息，从基本原理层次为流化床、高炉等操作技术和能量效率提供优化策略，研究成果将对开发新型反应设备和推动大型工业装置的节能减排具有重要的现实意义。