气液固三相流鼓泡反应器中介尺度固液湍流与气泡诱导湍流耦合与调控机理研究

Based on gas-liquid-solid three phase flows in bubble column reactors, this investigation will attempt to propose the complete mathematical models and present numerical modelling through considering the interactions and coupling among bubbles, solid particles and meso-scale liquid phase turbulence. By considering turbulence modulation due to the solid particles and bubbles in the flow, the modified kernel functions describing bubble fragmentation and coalescence caused by collision with turbulent eddies will be presented through constructing the modified turbulence kinetic energy density spectrum, focusing on the modulated meso-scale turbulence. In the investigation, the two-fluid model based large eddy simulation method incorporated the modified Smargorinksy turbulence sub-grid model will be presented through introducing the hybrid sub-grid length scale, which the effect of bubble and particle typical length scales is taken into account, and adopting the method accounting for the effect of solid particle loading and bubble volume fraction. The presented large eddy simulation approach, coupled with two bubble groups population balance model(TBGPBM), will be used to predict the three phase flow in the bubble column reactors. In the investigation, an experimental rig of three phase flow bubble column reactor will be constructed. Using PIV/LIF to measure the turbulence and velocity distributions in the reactor and applying ECVT system to acquire the instantaneous volume fraction distributions of bubbles and particles in combination with the use of the large eddy simulation, the investigation aims to fundamentally study the phase interaction mechanism of gas-liquid-solid three phase flow in the bubble column reactor, which can predict and reveal the complicated multi-scale in particular meso scale fluid dynamics behaviour.

以鼓泡反应器气液固三相流动过程为研究对象,建立考虑气泡、固体粒子和液相湍流间相互作用的物理模型与数值模拟方法。考虑固体粒子和气泡对液相介尺度湍流涡旋的调制作用，构建修正的能谱密度函数，建立修正的气泡湍流破碎和聚并核函数模型。通过引入气泡和固体粒子特征尺度参数构建混合的亚格子尺度参数，考虑固体粒子载荷和气含率的影响，对Smargorinksy模型进行修正，建立修正的液相湍流亚格子尺度模型和基于双流体模型的大涡模拟方法，并耦合双气泡群平衡模型，对三相鼓泡塔反应器内的气泡动力学进行预测。构建气液固三相鼓泡反应器试验平台，采用PIV/LIF测量流场速度及湍流信息，同时应用ECVT系统获取瞬态整体流场的相含率分布，结合大涡数值模拟方法，揭示三相鼓泡反应器内的多尺度特别是介尺度流动特性。研究结果将丰富对多相流动机制的认识，推动多相湍流和多相流体力学的发展，并为鼓泡塔反应器的设计和放大起奠定理论基础。

本项目以鼓泡反应器气液固三相流动过程为研究对象,建立了考虑气泡、固体粒子和液相湍流间相互作用的物理模型与数值模拟方法。考虑固体粒子和气泡对液相介尺度湍流涡旋的调制作用，构建修正的能谱密度函数，建立修正的气泡破碎和聚并核函数模型。采用湍流结构函数与相似理论，从理论上证实了气泡诱导尾涡湍流动能能谱函数与其对应的介尺度湍流涡旋的波数服从E(κ) ~ κ^-3的关系，实验研究上以PIV/PTV和热膜光纤探针等测量手段，有效识别气泡和固相粒子的贡献，正确分离各相信号后成功获得尾涡湍流以-3次方斜率为特征的能谱曲线，从而验证了理论结果。该理论成果与其它国际研究团队实验室在国际多相流期刊(IJMF)、流体力学期刊（JFM）等重要国际期刊上发表的实验结果相符，对认识化工反应器中复杂多相（气液）湍流具有非常重要的意义。在CFD数值模拟中首次提出以修正后的能谱密度函数为核心构建气泡聚并和破碎模型，能够准确反应鼓泡反应器中气泡-气泡、气泡-涡旋相互作用的介尺度现象，避免了人为的系数调整，从而提高了气泡平均直径分布、相间传质系数等关键流体力学参数在高气速高气含率工况下预测结果的准确性。通过引入气泡和固体粒子特征尺度参数构建混合的亚格子尺度参数，考虑固体粒子载荷和气含率的影响，对Smargorinksy模型进行修正，建立了修正的液相湍流亚格子尺度模型和基于双流体模型的大涡模拟方法。构建气液固三相鼓泡反应器试验平台，采用PIV/LIF测量流场速度及湍流信息，采用高速摄像仪捕捉气泡和气泡群的动态变化过程，同时应用ECVT系统获取瞬态整体流场的相含率分布，结合大涡模拟和双气泡群粒数平衡模拟等数值模拟方法，深入揭示了三相鼓泡反应器内的多尺度特别是介尺度流动特性。研究结果丰富了对多相流动机制的认识，推动了多相湍流和多相流体力学的发展，并为鼓泡塔反应器的设计和放大奠定理论基础。