气力输送系统的复杂物理学机理和动力学特性研究

As a complex nonlinear gas-solid two-phase flow system, pneumatic conveying of powders involves multiple spatial structures and characteristic time scales. The gas-solid flow shows chaotic behavior, where the fluctuation and instability are one of the main characteristics of the system. It has been one of the hotspots in gas-solid flow field to study on the complicated physical mechanisms and dynamic characteristics of pneumatic conveying system based on the research of the flow pattern and the corresponding fluctuated signals. In this project, the flow pattern of gas-solid flow will be detected and identified using electrical capacitance tomography to obtain the flow images and using signal analysis methods to analyze the corresponding time series of fluctuated signals. A model, with respect to similarity numbers for fluid mechanics, will be established to distinguish different flow patterns and to describe the dynamic characteristics of them. Based on decoupling gas-solid flow structures and multiscale analysis of fluctuated signals, the relationship between each signal scale and physical scale will be obtained and the physical mechanisms of gas-solid flow will be revealed. The flow stability criterion based flow pattern recognition and fluctuated signal analysis will be proposed after analyzing the influencing factors of the conveying system. The study will contribute to understanding the complex interactions of gas-solid two-phase flow system, obtaining the characteristics of flow pattern and signal fluctuation, mastering the influencing factors and change rules of gas-solid flow stability, and providing the scientific reference for stability control for the dense-phase pneumatic conveying in the entrained-flow pulverized coal gasification process.

作为复杂的非线性气固两相流体系，粉体气力输送涉及多个空间结构层次和特征时间尺度，流动具有混沌特性，流动的波动与不稳定是该系统的主要特征之一。通过流型与波动信号的研究，揭示气力输送系统的复杂物理学机理和动力学特性，是当今气固两相流研究领域的热点之一。本项目拟借助先进测量仪器和信号处理方法进行气固两相流型检测与识别，建立不同流型的动力学特性及其过渡预测模型，基于对气固流动结构的解耦和利用多尺度方法对波动信号的分析，获得各信号尺度与物理尺度之间的对应关系，并揭示气固两相流的物理学机理，通过对输送系统影响因素的分析，提出基于流型识别和波动信号分析的输送稳定性判据。通过本项目的研究，将有助于从机理上认识气固两相流系统复杂的相互作用，获得流型及信号波动特征，掌握气固两相流体系流动稳定性的影响因素及变化规律，为气流床粉煤气化系统中煤粉输送过程的稳定调控提供科学手段和依据。

气流床粉煤气化工艺具有消耗低、技术指标先进、煤种适应性广等优势，具有广泛的市场应用前景，是煤炭清洁高效利用的选择之一。进入气化炉煤粉流动的稳定与否，直接关系到气化炉运行的安全性，同时也对气化工艺指标、气化炉与烧嘴寿命等有着至关重要的影响。因此，煤粉密相气力输送是气流床粉煤气化的关键技术，是气化装置安全、稳定、长周期运行的前提。粉体气力输送是复杂的非线性气固两相流体系，涉及多个空间结构层次和特征时间尺度，流动具有混沌特性，流动的波动与不稳定是该系统的主要特征之一。本项目针对气力输送系统流型复杂多变的特点，借助先进测量仪器和信号处理方法，分析了输送过程中水平管和竖直上升管气固两相分布规律和固体颗粒浓度特征，掌握了基于图像识别、信号分析和大数据的输送流型检测与识别技术。以输送相图为依托，揭示了不同流型状态下的气固两相流参数和相间复杂相互作用，获得了不同流型的动力学特性，建立了基于流体力学相似准数的流型过渡预测模型，掌握了流型演变与转化规律。采用实验研究与理论分析相结合的方法，对气力输送系统多尺度结构特征进行解耦分析，提出了信号多尺度分解及重构方法、构建了输送系统气固相互作用表征方法，建立了各信号尺度与物理尺度之间的对应关系，基于多尺度能量矩阵诠释了典型流型的气固相互作用，揭示了气力输送系统的复杂物理学机理。在分析输送介质物性、操作条件、管道特性和关键设备等对气力输送系统宏观输送规律、流型和波动信号的变化特征影响基础上，提出了基于流型识别和波动信号分析的输送稳定性判据。项目研究有利于丰富气固两相流的基础理论，进一步认识非线性气固两相流系统复杂的相互作用机理、流型形成与转变机理、波动信号和物理参数在各个尺度上的对应关系，从机理上认识和掌握气固两相流动的影响因素及变化规律，为气流床粉煤气化系统中煤粉输送过程的稳定调控提供科学手段和依据。