基于晶体颗粒动力学行为的盐析进程预测模型研究

盐析两相流动体系中的晶体颗粒动力学行为直接决定盐析进程的发展，如何将颗粒行为与其宏观属性相关联，成为创建盐析进程预测模型的关键问题。本项目以矩形管及离心泵内盐析流场为研究对象，以盐析流动内流测试及盐析层增长基础实验为前提和验证手段，借鉴能够描述颗粒成核、生长、破碎和聚并行为的群体平衡思想，探寻动力学行为核模型的建立方法，构建符合盐析流动的群体平衡模型（PBM）；采用考虑颗粒沉积和移去过程的Kern-Seaton模型，分析盐析层增长机理，研究颗粒沉积和移去率的准确数学表达；尝试将两种关联模型嵌入双流体模型中，探索可行的盐析流场耦合求解策略，建立盐析进程预测模型；进而开展泵内盐析特性基础性研究，探索盐析进程与泵性能参数内在关系，提出新的泵内盐析进程表征方法。项目研究可从本质上加深对盐析流动的理解，丰富液固两相流理论与研究方法，为防结盐措施探讨及相关输送设备优化设计提供理论依据。

盐析流动属于复杂液固两相流动现象，普遍存在于盐类溶液输送流程中，对输送设备性能及整个流程正常运行影响重大。本项目重点关注盐析流场中晶体颗粒的聚并、破碎等动力学行为，试图将此行为与宏观属性相关联，创建能较真实地描述盐析进程的预测模型。项目研究从具有探索性的基础性实验研究出发，以具有典型盐析特性的硫酸钠过饱和溶液为介质，采用相位多普勒粒子测速仪（PDPA）精确测量了不同运行工况下矩形管内的盐析两相流场；采用数码摄影技术及温度场监测手段，开展了管内不同外部条件下的盐析层增长基础试验，研究了盐析层增长速率、方式等及其与流动参数的内在关联关系。构建了考虑盐析晶体颗粒在主流区成核、生长、聚并、破碎等及在邻界区的沉积、移去等动力学行为的盐析进程物理模型。以欧拉双流体模型为基础，颗粒间的相间作用采用群体平衡方程（PBE）描述，其中关键的Ghadiri破碎核和湍流聚并核模型采用基础实验数据进行修正，以此构建主流区的数学模型；盐析层的增长速率以Kern-Seaton模型描述，采用质量增长速率表示了盐析层的增长，获得了沉积速率与表面系数、传质系数的数学表述。开展了管内台阶盐析流场的CFD-PBM耦合数值求解方法研究，呈现了台阶上、下游的盐析两相运动及宏观属性分布特征。通过对盐析层增长方式研究，发现邻界区盐析层的增长以颗粒沉积为主，认为盐析层增长速率等于沉积速率，最终确定了可较为真实地描述盐析进程的预测模型。采用粒子图像速度场仪（PIV）捕获了不同外部条件下泵内盐析颗粒流动的整场特性，获得了泵内液相和颗粒相的精确湍流运动特征及相间作用后的粒径、浓度等宏观属性分布规律；同时通过监测泵的外特性参数，掌握了泵性能随盐析进程的变化规律。对泵内盐析两相流动进行了数值计算，获得的盐析进程不同阶段泵内的两相流场特性与实验结果进行比较，验证了盐析进程预测模型在旋转流场中适用性、可靠性。项目研究更深刻地认识了盐析两相流动现象，丰富了液固多相流理论和方法。项目执行期间，共发表论文9篇，其中SCI、EI收录3篇；申请专利7项，其中授权4项；赴国外参加国际会议2次并作分组报告各1次，参加工程热物理年会并作分组报告3次；获江苏省科学技术二等奖、教育部科技进步二等奖各1项；出版教材1部；培养硕士研究生3名。