气固并流下行流化床介尺度结构的研究

This program focuses on the research of multi-scale simulation method based on meso-scale structure, which is employed to investigate dense/dilute phase structure in the downer. A novel multi-fluid model is developed based on the different compromise mechanism of interaction between dense phase (cluster) and dilute phase in the developing and developed region, which integrated meso-scale structure of gas-solid flow in the downer. The stability conditions are developed by the characteristics of the gas-solid flow in the first and second acceleration section of the downer. The research mainly contains: Meso-scale structure of gas-solid flow and developing the structure-dependent model; Studying the drag coefficient based on meso-scale structure of gas-solid flow and simulating the overall gas-solid flow in the downer; Model validation and relationship between the cluster evolvement and physical parameters.The proposed the structure-dependent model will discover the laws of variations of meso-scale structure in the downer and promote its industrial application. It also provides a new option for simulating gas-solid flow in the fluidized bed. The achievement in this project will also contribute to the development of multi-scale and fluidization theory.

本课题旨在寻求一种基于气固并流下行过程中介尺度结构的多尺度模拟新方法，对下行床内稀密两相行为进行模拟研究。通过研究下行床内第一加速段、第二加速段和等速段内颗粒－流体不同作用机制对介尺度结构的影响，建立多机制耦合介尺度结构新的模拟方法，并根据第一加速段与第二加速段和等速段流动特点确定两个稳定性条件，从而获得更加有效的调控下行床两相结构的方法。主要研究内容：气固流动过程中介尺度结构和下行床整体模型设计；曳力系数的研究和下行床整体模拟；模型验证及介尺度结构演化与调控物理量之间的转换关系。通过模拟研究，揭示宏观反应器尺度和微观单颗粒尺度对下行床内介尺度结构影响的规律，推动下行床在煤和石油烃热裂解等工业领域的应用，为气固流态化介尺度结构的研究提供新思路，同时丰富和发展多尺度和流态化理论。

气固并流下行流化床由于其顺重力场机制,减少了颗粒的返混现象,且其停留时间短,气固分布相对均匀,因而在生物质裂解,煤制油等快速反应都有较大的应用前景。本研究针对气固并流下行过程中介尺度结构进行了模拟研究，建立基于介尺度结构的两相模型,获得了介尺度压力系数模型,完成了项目任务书的内容,达到了预期目的。具体结论如下：.1）建立了基于介尺度结构参数的模型方程。 本项目采用5个密相参数和3个稀相参数来描述下行床内气固两相结构。根据动量守恒和质量守恒定律，结合下行床内介尺度结构特征，分别建立了稀相颗粒群、密相颗粒群力平衡方程，回归了聚团内颗粒浓度的计算方程。.（2） 下行床稳定性条件的研究。由于气固在两相流动中的主次作用在下行过程发生变化，本研究创新地提出了两个稳定性条件来封闭下行床内气固两相流动，即第一加速段稳定性条件为流体悬浮输送能耗最小以及第二加速段和恒速段为颗粒通过床层能耗最小。采用介尺度模型方法计算的结果与实验吻合得很好，较采用平均方法的Wen-Yu模型计算结果精度更高。.（3）下行行床聚团结构调控。考察了下行床内聚团结构随操作条件的变化，发现表观气速对聚团结构影响较大，聚团内颗粒浓度较小，聚团较为疏松，不能形成类似提升管那样致密的聚团。.（4）介尺度结构的可视化研究。为了便于直观地观察介尺度结构的变化，我们对气固两相流中介尺度结构进行可视化研究。采用高速摄像机对矩形流化床内的气固流动进行连续摄像，开发了基于Matlab的图像处理程序，能将聚团相和气泡相从流场中分离出来，从而能直接观察介尺度结构的变化。. 相关研究已发表论文5篇，其中SCI1篇和EI1篇，已投文章两篇，获得国家发明专利2项，研究达到预期目标。