稠密气固两相流动中介尺度结构分区离散模型机理探索及分区离散模拟方法研究

Granular systems with non-spherical wet particles, which are widely used in industrial process and appear in nature, are complicated multi-scale dense gas-solid two-phase systems. As including lots of typical meso-scale structures such as particle clusters, the research on its internal mechanisms and laws, especially for the investigations on the anisotropic characteristics of meso-scale structures, is of great significance. The current work will study non-spherical wet particles in dense gas-solid two phase flows using experimental and numerical methods. Methods which cover micro-meso-macro scale behaviors in the particle system are applied to improve the drag model and mesh of meso-scale structures. The investigation of physical model of inhomogeneous structure in non-spherical wet particle gas-solid two-phase flow which is based on meso-scale is conducted. This work reveals the inherent law and macroscopic flow characterisitc of anisotropic characteristic of meso-scale structures of particles and clusters, establishes the region-dependent discrete numerical model based on meso-scale structures and builds a monolithic body of theory. Current research attempts to figure out the influence of meso-scale structures in gas-solid particle systems, and provides a new approach to model multi-phase reactors.

自然界及工业过程中广泛存在的非球形湿颗粒系统是一种复杂的多尺度稠密气固两相系统，其中含有大量典型介尺度结构如颗粒聚团和结块等。深入研究其内在机理和规律，尤其是研究颗粒聚团等介尺度结构的各向异性行为具有重要的理论价值和工程实际意义。本项目针对非球形湿颗粒气固两相流动，结合数值模拟和实验测量，采用微观←→介观←→宏观的三层次跨尺度对比研究方法，优化介尺度结构曳力模型及网格算法，进行基于介尺度结构的非球形湿颗粒气固两相流中非均匀结构的物理模型研究。揭示颗粒及颗粒聚团（气泡）等介尺度结构各向异性特征的内在规律及其宏观流动特性，建立科学的气固两相流动介尺度分区离散数值模拟方法，明确各种控制机制及其相互关系，形成系统的理论体系。本研究旨在阐明介尺度结构在气固两相流动中的作用机制，提供多相流反应器数值模拟方法的新思路。

本项目为“多相反应过程中的介尺度机制及调控”重大研究计划培育项目，项目的主要研究内容包括：（1）开展了非球形颗粒及湿颗粒气固两相流动动力学模型研究，包括非球形颗粒、含湿颗粒模型及其在典型流态化系统中的应用；（2）开展了基于实验方法的气固两相流颗粒行为研究，考察系统内介尺度结构各向异性特性；（3）开展了基于神经网络算法的非球形颗粒的曳力模型研究，进行了典型非球形颗粒气固两相系统中的应用。.稠密气固两相流数值模型及应用方面的重要结果：建立了非球形及湿颗粒离散颗粒模型：基于组合球元法，结合离散颗粒模型特点，充分考虑颗粒碰撞过程中的相互作用，使用两步搜寻方法，建立了完善的非球形颗粒离散颗粒模型；在充分考虑含湿颗粒间相互作用力的情况下，建立了基于离散软球模型的湿颗粒气固两相动力学模型。考察了不同形状及含湿量对颗粒行为的影响，并对典型流化床内介尺度结构的演化进行了研究。.基于粒子图像测速技术的气固两相颗粒系统研究方面的重要结果：建立了基于粒子图像测速技术的实验平台，进行了含湿颗粒气固两相流动的实验测量，验证建立的离散颗粒模型。着重考察湿颗粒系统中介尺度结构的演化特性，分析系统内颗粒聚团及气体通道等结构的特点。.基于神经网络算法的非球形颗粒的曳力模型研究方面的重要结果：基于神经网络算法，对大量实验数据进行分析，建立了新的曳力模型，并对颗粒系统内的颗粒流动特性进行研究，分析其中介尺度结构的变化规律。.在研期间，在国内外会议作邀请报告3次，作为会议组委会协助组织国际会议1次；发表及录用SCI源期刊论文4篇，EI源期刊论文1篇，国际及国内会议14篇；申请发明专利2项，登记软件著作权2项；培养博士生已毕业1人，另3人在读；培养硕士生已毕业1人，另2人在读。