超临界水流化床反应器介尺度流动结构形成机理及对动量传递作用机制

The meso-scale flow structures of “bubble” and emulsion phase within the supercritical water (SCW) fluidized bed have deeply effects on the reaction and transfer processes. The competitive and coordinative mechanisms of the “bubble” and emulsion phase are still open questions. The effect of flow structures of “bubble” and emulsion phase on the momentum transfer are unclear and hard to describe. The program plans to establish an experimental upset for capturing the bubbling characteristics under the supercritical conditions, and obtaining the calculation correlations of bubble size, number and upward velocity, etc. An energy-minimization multi-scale (EMMS) model for SCW bubbling fluidized bed will be derived based on the correlations of bubbles characteristics. The model can help to predicate the evolution rules and boundaries of the competitive and coordinative mechanisms of the “bubble” and emulsion phase. Then, the effects of meso-scale flow structure on the momentum transfer from particles to SCW, and from bubbles to emulsion phase are theoretically investigated. According the bubble EMMS model, a bubble structure dependent drag model can be derived, and incorporated in a multiphase flow model for predicate the multi-scale flow dynamics with the SCW fluidized bed. This study is not only the forefront of meso-scale multiphase flow research, but also directly provides the experimental and theoretical reference for the design and operation of the SCW fluidized bed reactor, which has important scientific significance and application value.

超临界水流化床反应器中存在“气泡”-乳化相介尺度非均匀流动结构，对反应及传递过程具有重要影响。“气泡”及乳化相的竞争协调作用规律尚未清楚，难以准确描述“气泡”-乳化相流动结构对动量传递过程的影响机制。本项目拟搭建 “气泡”-乳化相介尺度流动特性实验平台，获得气泡尺寸、数量及上升速度等关键特征参数的计算关联式。在此基础上，建立描述超临界水流化床“气泡”-乳化相流动的EMMS模型，获得“气泡”及乳化相相互竞争与协调控制流动的演变规律及边界。研究超临界水“气泡”-乳化相介尺度流动结构对相间动量传递的用机制，建立颗粒-超临界水单元结构及乳化相-气泡相介尺度结构的相间动量传递过程，获得基于流动结构的曳力模型，将其与多相流动模拟计算程序耦合，实现超临界水流化床多尺度过程的高效预测。本研究不仅是国际介尺度多相流研究的前沿方向，也将为超临界水流化床反应器的设计提供直接的实验和理论依据，具有重要的科学与应用

项目对超临界水流化床介尺度流动结构开展了实验与数值模拟研究，得到了介尺度结构边界及其演变规律，探索了介尺度结构对两相动量传递过程的作用机制。本项目通过研究(1) 获得了超临界水流化床内鼓泡动力学特性，建立鼓泡特征参数的计算理论及经验关联式，揭示了颗粒特性及系统压力温度等宏观约束条件对超临界水流化床中“气泡”-乳化相流动结构的影响机制。(2)获得了描述介尺度流动结构演变的关键特征参数，得到了超临界水流化床内最小鼓泡流化速度和最小节涌流化速度，明确“气泡”-乳化相竞争及协调控制流动结构的边界及其演变规律。(3)从波动传输的角度得到其中鼓泡特性的定量描述，并从动力波的传输特性中得到鼓泡的内在机理，提出气泡动力波动速度的概念，结合可压缩波理论和EMMS思想推导得到稳态与非稳态下的气泡动力波动速度方程，并应用于流型识别。提出了鼓泡EMMS模型中不均匀指数关于阿基米德数与颗粒雷诺数的通用公式。(4)建立了双组分颗粒鼓泡EMMS模型，基于该模型，推导了双组份颗粒鼓泡EMMS曳力模型，通过EMMS模型成功描述不同颗粒组份特性、体积分数对气-固相间动量传递的影响。项目已发表/录用SCI论文 12 篇，国际会议报告 4次；项目负责人 2019年获国家杰出青年科学基金，入选西安交通学领军人才计划；魏利平获陕西省优秀博士论文奖，入选西北大学“青年学术英才”支持计划。项目培养毕业博士 1 人，毕业硕士研究生 2 人，在读硕博研究生 6 人。