石油化工气液及气液固多相反应器的介尺度结构模型及工程放大基础

介尺度结构的产生和动态演变是影响多相体系混合和相间传递的关键因素之一，是理解体系复杂性根源的重要环节。本研究将围绕石油化工气液及气液固系统中的介尺度结构，如颗粒的聚集和消散、气泡间的聚并和破碎、能量的不同耗散模式等内容展开研究。通过实验、理论分析以及不同层次的计算机模拟，探索介尺度结构的产生机理和动态演化过程，理解介尺度结构影响传递过程的物理机制。通过实验分离和捕获介尺度结构的特征参数及变化规律。在理论分析方面，对体系进行结构和能耗分解，区分介观和微观能耗，建立反映体系控制机制协调的稳定性条件和多尺度模型。分析介尺度结构对宏观流型过渡的影响，解释宏观流型过渡的底层物理途径。建立考虑介尺度结构的气泡/颗粒与流体间相互作用模型，改进传统CFD模拟。应用离散粒子和直接数值模拟技术，从微观层次研究介尺度结构，提供局部流动细节，为典型石化反应器（如重油/渣油加氢环流反应器）等的工程放大提供理论支持。

本课题针对石油化工中典型的气液多相反应器，如鼓泡塔和浆态床反应器等。其复杂的两相/多相流动结构和流体力学行为制约了反应器的放大和优化。计算流体力学已成为重要的研究手段，但其准确性和我们对介尺度结构的认识相关，成为一个难点。围绕这些问题，本课题在以下方面取得了进展。建立了基于稳约多流体模型的新型计算流体力学方法，即用稳定性条件约束双流体模型。发现新模型的计算结果都优于经验关联式。传统模型不能很好地预测在整个气速范围内整体气含率的变化。而新模型合理地预测了整体气含率的变化，特别是能够模拟出气含率曲线上的平台现象，即随着表观气速的增加，气含率先是线性地增加，然后保存不变，然后继续增加。对于气含率和轴向液体速度沿径向的分布，新模型的模拟结果也优于经验关联式。极大地提高了模拟的准确性。从微观上用直接数值模拟方法研究了气泡动力学行为。应用相场模型和格子波尔兹曼方法建立了可以从微尺度模拟气泡行为的流体力学模型和代码。模拟了单个气泡、一对气泡以及一群气泡的动力学行为。与经典的气泡终端速度公式进行对比验证，表明这一方法可以获得不同雷诺数和Mo数下具有不同形状的气泡。进一步用这一方法模拟了气泡上升过程中的聚并行为。研究了垂直和水平排列的两个气泡及其周围的流场动态行为。这些工作将为进一步的大规模并行计算，以及为CFD模拟提供本构方程的工作提供基础。这些方法已经开始逐步应用于工业反应器设计和优化过程的模拟计算，如中石化的气液列管反应器模拟计算、中科院上海高研院费托合成浆态床体系的模拟计算等等。