基于介尺度动态结构的气固EMMS模型扩展

Extension of the gas-solid Energy-Minimization Multi-Scale (EMMS) model is not only the premise to improve the EMMS computation paradigm and to realize Virtual Process Engineering (VPE), but also of significance to total-system multi-scale steady-state modeling of complex gas-solid reactors. Taking the effects of the formation and dynamical evolution of meso-scale structures due to their acceleration or deceleration on the heterogeneity of gas-solid flow as a scientific breakthrough point, this project mainly aims to extend the gas-solid EMMS model in the two-dimensional spaces and various fluidization regimes based on meso-scale dynamical structures. Through addressing the key problems such as characterization of heterogeneity of gas-solid two-phase flow, analysis and computation of the interfacial energy dissipation rate between the dilute and dense phases, and simplified solution to a multi-objective variational problem, an unified theory for total-system multi-scale steady-state modeling of complex gas-solid reactors will be developed to form an industrial software package, so as to extend industrial application of the EMMS theory at macro-scale and to provide a quantitative reference for the design and scale-up of chemical processes.

气固能量最小多尺度（EMMS）模型的扩展不仅是发展和完善EMMS多尺度计算模式和实现虚拟过程工程(VPE)的需要，而且对复杂气固反应器的全系统多尺度稳态建模也具有重要的意义。本项目以气固两相系统中介尺度结构的形成和其加减速动态演化对系统非均匀性的影响这一科学问题为切入点，以基于介尺度动态结构的气固EMMS模型轴径向耦合二维扩展和气固EMMS鼓泡理论模型的建立为核心内容，拟解决气固两相流非均匀性表征、稀密相相间耗散分析与表达、以及多目标优化变分问题简化求解等关键问题，形成复杂气固反应器全系统多尺度稳态建模统一理论和相应的工业应用软件包，拓展EMMS理论宏尺度直接工业应用新领域，为化工工艺过程的设计和放大提供定量参考。

原EMMS模型将快速气固流动分为稀密两相，并用8个参数、6个方程和一个介尺度稳定性条件对其进行描述。但该模型以颗粒团聚物为基础，没有考虑颗粒加速度与气泡的形成，因而缺乏对广义气固流态化系统全流域的预测能力。本项目提出了一个基于浓度梯度计算的颗粒团聚物鉴别方法，并通过两相PIV技术对颗粒团聚物内的气固穿流现象进行了定量表征，澄清了其对颗粒团聚物动态演化的影响。因此，根据稀密相颗粒交换动量守恒原理建立了颗粒团聚物动态演化方程，从而改进了原EMMS单元模型，发展和完善了轴径向耦合EMMS模型、气固EMMS鼓泡理论模型和气固EMMS下行床模型，并利用多种方法实现了对上述模型的数值求解。基于EMMS及其扩展模型，发展了基于EMMS的复杂气固系统全循环稳态建模理论，实现了对气固广义流态化全流域的稳态实时模拟。该工作不仅是发展和完善EMMS多尺度计算模式和实现化工虚拟过程工程的基础，而且对复杂气固反应器的设计和放大也具有重要的意义。