湿颗粒流态化过程机理与数理建模研究

Wet fluidized bed can be widely applied in the energy and chemical fields, but the awareness for its flow characteristics and mechanism is still lacking. Especially the micro-scale interactions mechanism between particles and the meso-scale particles agglomerate mechanism has been unclear. Compared with the dry particles, wet particles fluidization has its own characteristics and difficulties. The proposed subject is focused on the key scientific problem ‘Multi-scale motion characteristics and mechanism and model of wet particle fluidized processes’. Three experimental systems will be set up, i.e. the dynamic liquid bridge force measuring device, wet particles impact measuring device and wet particles fluidized bed experimental system. Combining the experimental measurement and theoretical analysis，the key mathematical model for the interaction between the fluidization wet particles - a dynamic liquid bridge force model will be constructed. Based on these research results, discrete element numerical simulation method for wet particle fluidization will be developed and the mechanism for wet particles fluidization process will be studied. The project has a good basis for the preliminary work. It can be expected to not only reveal the mechanism of wet fluidization, but also reform the experimental technology and numerical simulation methods in gas solid two phase flow researching field, as well as promoting the development of designation and optimization technique for wet fluidized bed.

湿颗粒流化床在能源化工领域有广泛的应用背景，但目前对湿颗粒流态化过程机理尚缺乏系统认识，特别是在微尺度颗粒间的相互作用、介尺度颗粒聚团等方面，机理不明。与干颗粒相比，湿颗粒流态化具有自身的特点与难点。本研究拟针对 “湿颗粒流态化过程中的多尺度运动机理及模型”这一核心科学问题，构建动态液桥力测量、单颗粒-湿表面碰撞、湿颗粒流态化实验系统；结合实验测量与理论分析，建立流态化湿颗粒间相互作用核心数理模型—动态液桥力模型；在此基础上，发展适用于湿颗粒流态化研究的湍流—离散颗粒元数值模拟方法，研究湿颗粒流态化过程机理。本项目有良好的前期工作基础，有望在揭示湿颗粒流态化过程机理的同时，也形成具有创新性的实验和数值模拟方法，丰富气固两相流研究手段，促进湿颗粒流化床设计优化技术的发展。

湿颗粒流态化系统广泛存在于能源、环保、化工、食品、制药等领域。近年来，在国家战略新兴产业中，出现的许多新工艺也都涉及了湿颗粒流态化技术。湿颗粒的流化行为较干颗粒要更加复杂，是当前多相流研究的热点问题。.本研究从实验和数值模拟研究两个方面，以流化床为研究对象，对湿颗粒的流化特性进行了系统深入的研究。.建立了湿颗粒流化床实验系统，开展了Geldart-D类湿颗粒的流化实验，研究得到了湿颗粒流化过程的流型特征；揭示了湿颗粒流化床压降、最小流化速度等重要流动特性参数与操作参数之间的变化规律的变化规律；对湿颗粒混合特性进行了系统研究，获得了操作参数和物性参数对异重湿颗粒混合行为的影响规律，提出了一种能够预测异重湿颗粒分离趋势的理论模型。.建立了可视化湿颗粒振动流化床实验系统，开展了宽含液量范围内湿颗粒振动流化床流动结构及其转变规律的研究，获得了不同振动强度、颗粒粒径、床层含液量条件下湿颗粒振动流化床的流型特征；开展了振动强度、含湿量、粒径、床层高度对湿颗粒振动流化床重要流动特性参数影响的研究，包括床层压力脉动特性、床层压降特性、最小流化速度等；结合理论分析与实验结果获得了D类湿颗粒最小振动流化速度的计算关联式。.对比分析了已有常用湿颗粒间作用力模型，揭示了传统cohesive force模型在模拟湿颗粒流动时的不足，提出了适用于湿颗粒的改进型cohesive force模型，并基于液桥力理论，建立了不同条件下该模型关键参数的计算方法。.围绕改进型cohesive force模型，发展了能够用于湿/粘颗粒流态化仿真的CFD-DEM数理模型，以喷动床为例，成功实现了湿/粘颗粒的喷动过程的三维模拟，定量的分析了粘性力量级、粘性力作用距离对喷动特性的影响，揭示了粘性力对喷动流型、颗粒速度、颗粒分布、颗粒循环速率等重要喷动特性的影响规律，实现了微观颗粒间受力与宏观、介观气固流动现象、规律的关联。