基于介尺度结构的非球形颗粒系统流动与传热特性研究

The heat transfer process widely exists in industry. But its mechanism is still unclear in multi-phase flows because they involve a variety of interactions at different scales. With the deepening of the research, it found that the mesoscale structures are crucial to the physical and chemical processes, which is the key to understand the heat and mass transfer. To this end, researchers conducted numerical and experimental investigations on mesoscale structures in the heterogeneous reaction process in recent years, but most of them focused on spherical particle systems. Actually the particulate material is always non-spherical, and the particle shape is a crucial factor which dominates the behavior of particles and the heat transfer process. Therefore, the current research aims to study the influence of mesoscale structures on heat transfer in non-spherical particle systems and propose a mathematical model of it. In this work, the discrete hard sphere and soft sphere approaches are applied to characterize the mesoscale structures. The heat transfer process will be described by combining the experimental investigation and two fluid modeling. The genetic algorithm is used to obtain the intrinsic correlation between mesoscale structure and heat transfer. Through the theoretical analysis, the heat transfer model based on mesoscale structure is established. The proposed model can predict the heat transfer process in the non-spherical particle systems more accurately, which is of great significance to the design and operation optimization of the reactors.

传热现象广泛存在于各种工业过程中，但是目前多相系统内的传热机理仍不明确，其主要研究难点之一是在系统中，包含着多种不同尺度的相互作用，而其中介尺度结构对其物理化学过程的定量描述和定向调控具有重要意义，但是相应的研究较少。针对这一问题，已有学者进行了探索，但是多针对球形颗粒系统，并且缺少对介尺度结构的演化规律与传热特性间关联的研究。因此，本项目主要研究非球形颗粒系统内的流动与传热现象，建立基于介尺度结构的非球形颗粒系统传热模型。结合DEM硬球、软球方法，确定颗粒聚团和气泡等介尺度结构的形成及演化特性，对比通过实验及双流体模型获得的相应工况传热特性，采用遗传算法进行介尺度结构形成及演化规律和流化床内传热特性的相关性研究，获得介尺度结构特征与换热特征间的内在关联，建立基于介尺度结构的传热模型。该模型的建立能够更为准确的预测非球形颗粒系统内的传热过程，对相关反应器的设计与运行优化有着重要的意义。

本项目为“基于介尺度结构的非球形颗粒系统流动与传热特性研究”青年科学基金项目，项目的主要研究内容包括：（1）开展了颗粒气固两相流动动力学模型研究，建立了考虑液桥力、热质传递过程的气固颗粒系统离散模型；（2）开展了典型流态化系统内的流动、传热与传质行为研究，及颗粒各向异性特性研究；（3）开展了多物理场下颗粒系统内颗粒聚团等介尺度结构的演化规律研究，着重分析了颗粒系统内的颗粒聚团等介尺度结构的动力学特性。.稠密气固两相流数值模型方面的重要结果：充分考虑流动过程、传热过程和传质过程，基于质量、动量、能量和组分守恒方程，建立了湿颗粒流动及传热传质离散模型。最后，针对固定床高温小球降温实验进行了模型验证。结果表明，模拟与实验结果吻合较好。.典型流态化系统内的流动、传热与传质行为研究结果：基于实际生产过程，利用添加滚动摩擦模型的离散单元软球模型分析滚动摩擦对喷动流化床内颗粒的流动行为进行研究，获得不同滚动摩擦对颗粒流动行为的影响，以及对干、湿颗粒系统流动行为的影响规律。.多物理场作用下颗粒行为研究方面的重要结果：基于建立的离散颗粒模型和双流体模型，对声场流化床内颗粒流动特性进行分析，获得颗粒在声场流化床中的宏观流动特性及微观流动行为。结果表明，声压强度对颗粒流化特性的影响发挥主要作用，声波频率对宏观流动特性影响较小，但是对微观流动特性影响较大。.在研期间，发表及录用SCI 源期刊论文9篇，国际及国内会议4篇。协助培养博士生已毕业1人，另2人在读；协助培养硕士生已毕业1人，另2人在读。