基于X光成像的异型多组分颗粒共流化过程介尺度流动机理研究

Irregular multi-component particles co-fluidization is the core process in solid waste combustion fluidized bed, the meso-scale characteristics of gas-solid flow and mechanism of bubble and particle cluster development govern the mass and heat transfer and chemical reactions in fluidized bed, and directly affect the safety and reliability of fluidized bed. However, the understanding of aforementioned mechanism is still lack, especially for the interaction between the irregular particle and bubble/particle cluster. The proposed project is focused on the key scientific issue “Meso-scale mechanism of irregular multi-component particles co-fluidization”. First, X-ray tomography system is built to investigate the bubble development. Then, X-ray particle tracking system coupled with the X-ray tomography system is built to study the gas-solid flow mechanism. Finally, the particle motion pattern and the effects of bubble/particle cluster in the process is revealed. The proposed project will develop novel measurement methods, which will enrich the tool box for multi-phase flow study and promote the development of fluidized bed solid waste treatment technology.

异型多组分颗粒共流化是流化床固废处理的核心过程，其介尺度气固流动特性与气泡/颗粒团演化规律主导了床内热质传递与化学反应，直接决定了流化床运行的安全性和可靠性，但目前对于上述问题的认识仍不够深入，特别是异型颗粒与气泡/颗粒团间的介尺度作用机理不明。本研究拟针对“异型多组分颗粒共流化过程介尺度流动机理”这一核心科学问题，首先构建X光层析成像方法探索异型颗粒对气泡/颗粒团时空演化的调控机理，之后采用X光层析成像-X光颗粒示踪联用方法研究气泡/颗粒团对异型颗粒气固流动的影响机制，最终揭示异型多组分颗粒共流化过程中的颗粒运动规律以及气泡/颗粒团在其中的作用。本项目有望形成创新的实验测量方法，丰富多相流研究手段，促进流化床固废处理技术的发展。

多相流测量与异型颗粒气固流动都是多相流研究领域的难点和热点问题。异型颗粒气固流化床的相关研究不仅可以直接应用于固废的资源化利用，同时也可以为农业生产的干燥包衣和制药工业的造粒涂层等相关设备的设计制造与运行优化提供指导，具有重要的应用价值。由于缺乏三维非接触式精确测量的手段，目前对于异型多组分颗粒共流化中气泡与颗粒团介尺度流动结构的研究还远远不足。本项目首先开展了基于X光成像的气固流动过程三维非接触式测量方法的研究，在此基础上进行了流化床中异型多组分颗粒气固流动特性与射流介尺度演化规律的研究。相关研究成果如下：（1）基于X光成像的三维射流介尺度结构与异型颗粒运动参数测量方法。构建气固流化床X光层析成像软硬件系统，研究射流三维结构的X光层析重构方法及误差评估方法，确立测量系统的最佳参数群并建立测量条件与测量误差间的关系模型；构建气固流化床X光颗粒示踪软硬件系统，研究异型颗粒三维运动参数的X光颗粒示踪测量方法及误差评估方法；探索射流空间结构与异型颗粒运动参数的同步测量方法，实现射流与异型颗粒相互作用过程的三维重建。（2）异型颗粒对射流时空演化的介尺度调控机理。基于前述的X光层析成像方法，对异型多组分颗粒共流化过程中射流空间结构、分布状况以及运动过程进行三维无扰测量，重点考察不同异型颗粒物性条件下射流形态和分布随时间、空间和操作参数的变化规律，建立射流体积和射流直径等形态参数的数理模型；研究异型颗粒特性对于射流时空演化的调控机理，探索异型多组分颗粒共流化条件下射流生成、聚并和破碎过程的颗粒形状效应。（3）射流介尺度流动结构对异型颗粒气固流动的影响规律。联用X光层析成像和X光颗粒示踪两种方法同时捕获异型多组分颗粒共流化过程中射流形态变化与异型颗粒运动过程，对射流与异型颗粒的相互作用过程进行无扰测量和三维重构。揭示射流介尺度流动结构对于异型颗粒速度和姿态角度等微尺度行为的作用机理，探索射流对异型颗粒混合-分离行为及床内迁移循环模式等宏尺度现象的深层影响机制。此外，本项目还基于已开发的X光成像系统对喷动流化床射流的形成机制及三维形态特征进行了研究。本项目为相关设备的设计制造与运行优化提供指导，具有重要的学术意义和工业应用价值。同时发展创新的实验测量方法，丰富了多相流领域的研究手段，促进多相流研究的发展。