基于X射线的颗粒团聚物动态演化规律的实验研究

Gas-solid two-phase flow field is a typical complex system, and paritcle cluster is the key meso scale structure. Its formation, dissolution and evolution has significant effect on the mass and heat transfer of the reactor. The widely adpoted measuring techniques, such as optical fiber and capacitance probe, generally involve the introduction of an intrusive probe into the reactor, which will disturb the flow field and thereby greatly decrease the reliability of measurement result. The visible light based techniques have the limitation of dilute flow field. In this study, an X-ray based technique for the measurement of clusters in the near wall region is proposed. By analyzing the one dimensional projection data, the information of voidage, size, velocity and acceleration of the cluster can be obtained simultaneously. Combining the Computational Fluid Dynamics method with the simulation of X-ray projection, the parameter optimization becomes possible. The beam hardening correction for the polychromatic energy of X-ray can be achieved via specially designed scanning phantom. Armed with the proposed technique, we will carry on the indepth study of particle cluster identification and characterization, and the evolution mechanism for particle cluster will be illuminated by the construction of physical model for the dynamic behaviour of particle cluster.

气固两相流是一典型的复杂系统，颗粒团聚物是该复杂系统的一个重要介尺度结构，它的生灭演化对反应器的传质传热有着重要影响,采用先进的实验研究手段，研究团聚物的动态演化规律，建立揭示其机理的物理模型，对深入理解该复杂系统具有重要意义。传统的团聚物实验测量方法包括探头类和可见光类，前者会干扰流动，后者仅适用于极稀流场，目前尚无适用于宽工况范围的团聚物动态无干扰测量方法。本研究拟开发一种基于X射线的颗粒团聚物测量新方法，通过使用CFD与仿真测量相结合的虚拟实验方法以及专用模型标定法，可以有效解决X射线的连续能谱带来的射线硬化校正问题，对测量系统进行参数优化，确保测量结果的准确性。使用该方法，本项目拟对循环流化床反应器近壁处团聚物的动态行为进行实验测量表征，并研究不同工况下团聚物的生灭演化规律，建立团聚物动态演化的物理模型，为深入理解气固两相流复杂系统提供实验基础。

颗粒团聚物是气固两相流复杂系统的一个重要介尺度结构，它的生灭演化对反应器的传质传热有着重要影响,建立先进的无干扰测量手段，研究团聚物的动态演化规律，建立揭示其机理的物理模型，对深入理解该复杂系统具有重要意义。本项目旨在建立基于X射线的颗粒团聚物动态演化行为无干扰测量方法，为深入理解气固两相流的内在复杂机理提供先进的在线测量手段，使用该手段，对两相流进行测量和多尺度分析，建立颗粒团聚物的判定识别标准，并对其动态行为的定量表征，揭示团聚物这一重要的介尺度结构的生灭演化规律。本项目按照研究计划顺利进行，完成计划书中的研究任务，取得预期的成果，主要包括：.1）建立近壁处颗粒团聚物在线测量方法，并研发出基于一维X射线阵列的团聚物测量系统，可以对气固两相流中的团聚物进行无干扰在线测量；.2）系统分析了现有团聚物判定识别方法的局限性，并建立了基于两路时间序列相关性与时延性的尺度划分判据fτ-r，用于划分气固两相流测量信号中的宏尺度、介尺度与微尺度；.3）建立基于双视角DR成像介尺度结构测量算法，可有效对两相流中的介尺度结构进行在线识别；.4）研发出基于物联网架构的便携式工业CT，可进行灵活的远程测量，原型机已应用于多相流的测量研究中。.在本基金资助下，本项目共发表论文5篇，申请专利4项，授权2项，获得奖励1项，培养在读博士研究生1名，硕士研究生1名。