稠密气固两相流各向异性颗粒动力学模型研究与应用

目前稠密气固两相流颗粒动力学（又称颗粒动理学）模型普遍采用基于"颗粒温度"的各向同性模型，然而本质上颗粒速度脉动具有各向异性特征，在许多情况下颗粒速度脉动的各向异性不容忽略，因而，各向异性颗粒动力学模型的建立具有重要科学意义。本课题针对稠密气固两相流，考虑微观颗粒速度脉动各向异性特征，通过直接构造各向异性Maxwell 颗粒速度分布函数，通过速度三阶矩封闭构建本构方程，建立各向异性颗粒动力学模型；通过数值模拟和实验测量手段考察各向异性颗粒动力学模型在稠密气固两相流中的应用效果，实验中采用粒子图像测速仪（PIV）进行速度场测量，获得颗粒脉动各向异性内在规律及宏观流动特征，深入探求稠密气固两相流动内在机理和规律。本课题的研究对深入理解稠密气固两相流动特性具有重要的基础理论研究价值，同时对于多相流反应器的设计和应用具有重要的理论意义和应用前景，可广泛应用于化工、能源等领域。

基于双流体模型和离散颗粒模型，建立了含湿颗粒和非球形颗粒稠密气固两相流数值模拟方法，重点考察了稠密气固两相流动中颗粒各向异性特性的影响；搭建了基于Particle Image Velocimetry (PIV) 系统的流化床实验台，进行了若干鼓泡流化床的实验，并对数值模型进行了验证。分析了包括鼓泡流化床、提升管在内的不同气固两相流动中的颗粒行为，并根据工程实际情况对非球形颗粒和湿颗粒进行了数值模拟，考察了颗粒的各向异性特征，获得了相对可靠的数值模拟方法。课题完成了计划任务书中规定的研究任务，达到了预期目标，并在以下四方面取得了突出进展：.建立了包括静态毛细力和动态粘性力在内的液桥力计算公式，得到了湿颗粒DEM碰撞模型，模拟研究了流化床内湿颗粒系统的流化行为。获得了鼓泡流化床内不同入口气体速度、填隙液体体积（质量）份额下湿颗粒的分布特性及流态化行为，分析了湿颗粒流化的瞬态和局部特性，揭示了湿颗粒系统流化行为的新现象和新特性。.建立了针对非球形颗粒的欧拉-欧拉双流体模型，在曳力模型中，整合进入了颗粒的形状系数，以此来考虑非球形颗粒系统中气固两相的相互作用。通过数值模拟，研究了非球形颗粒系统的气固两相流动特性。此外，进行了相关的实验，将实验结果与数值模拟结果进行了比较，验证了模型的正确性。.建立了基于欧拉-拉格朗日模型的离散颗粒硬球模型，采用大涡模拟方法考察气相湍流的影响，并与实验进行了对比，验证了模型的正确性。获得了包括鼓泡流化床、提升管和喷动床在内的不同气固两相流动中颗粒行为的分布特性及变化规律，提出了聚团颗粒温度的概念。掌握了可靠的稠密气固两相流动中颗粒各向异性行为的分析方法。.应用PIV系统，研究了黑小米，黄小米和高粱米三种不规则颗粒在流化床内的流动特性，得到了三种颗粒的瞬时位置和速度场分布，实验结果显示PIV测速系统用于稠密气固两相流动速度场的测量是可行的。.该课题在国内外重要期刊上发表和录用学术论文11篇，其中SCI源期刊5篇，EI收录1篇，国际会议1篇，国内会议4篇。另已投稿SCI源期刊论文1篇。邀请国外专家来华学术交流1次，参加国际会议12人次，国际交流访问4人次，国内会议14人次。.此外，该课题培养了国家自然科学基金委优秀青年基金1人，硕士研究生3人（已毕业），博士研究生2人（2人在读），在多相流动及传热领域形成了一支结构合理、素质过硬的科研队伍。