流化床内二元颗粒体系流动特性的CFD模拟与介观尺度固体黏性作用机制研究

首先，在介观尺度上比较无黏度、常黏度和由动理学理论所得颗粒黏度三种方法对流化床内单组份体系流动特性的影响，评价固体黏性在CFD数值模拟中的作用。然后，以异性颗粒混合/分离和固体燃料气化/燃烧为背景，通过对二元颗粒体系及其与流体之间作用机制的探讨，将前期提出的改进颗粒床模型拓展到双组份体系，以异性颗粒黏性作用力的协同效应为突破口，详细模拟液固和气固A类物料拟两相体系的散式流态化特性、气固B和D类拟两相的鼓泡、射流和节涌流动特性以及气固固三相非强混合体系的动态混合或分离规律,着重考察固体黏性的影响及其程度，其结果的可靠性由理论分析、本研究实验或文献数据予以验证。该项目旨在克服Gidaspow学派基于动理学理论的多流体模型中可调参数多、固相黏度缺乏统一认识的不足，在可接受的工程误差范围内提出一个描述双组份的简化CFD模型，为流化床反应器内多相混合、分离或反应过程的强化提供新思路和新方法。

流化床应用的关键之一是掌握颗粒-流体系统内在的结构不均匀性和状态多样性。为了掌握介观尺度颗粒相黏性对宏观尺度CFD模拟结果的影响行为，本项目以双组份混合体系为研究对象，从测试方法、实验研究和模拟应用三方面开展了具体工作。. 为了获得适合于验证双组份体系CFD模拟可靠实验数据，本项目重点：1)完善了电容层析成像三维测量技术，2)提出了γ射线多相扫描清晰度增强方法，3)开发了多组份颗粒体系浓度分布测量装置。. 采用多种测量仪器组合方法测量了单一组份和双组份体系的基本流态化特性，结果表明对于不等密度双组份颗粒体系，平均床层密度和颗粒密度均随轻组份含量增加呈现下降趋势，且物性差异愈大下降趋势愈明显，同时发现采用经典Goossens等关联式分析物性差异较大双组份体系时需要慎重；双组份体系呈现起始、最小和完全三个流化速度，且完全流化速度随着小颗粒体积分数增大而略有减小；操作气速对双组份体系的混合/分离特性影响最大，而混合物组成和初始填充状态的影响较小，有时甚至可以忽略；射流对双组份体系的混合具有明显的强化作用，且与单射流或双射流的流型特征、射流穿透深度和射流频率密切相关。. 以经典理论、实验测量和文献数据为依据，系统地模拟了介观尺度颗粒黏性对宏观尺度单一组份和双组份体系的气固散式、鼓泡、射流和节涌流态化特性及液固散式流态化特性的影响行为及其影响程度。结果表明对于速度较低的气固或液固散式流态化，颗粒黏性没有影响；对于射流床或节涌床，本研究通过引入拟平衡状态下颗粒与流体之间相互作用力可以合理地描述黏性的影响行为；基于流动相似性原理，建立了描述流化床内双组份体系复杂流动特性的无因次模型化放大方法；将冷态实验结果与数值模拟进行耦合，预报了锥形流化床和锥体分布器结构相结合生物质气化装置的独特性能，为生物质气化的工程化应用提供了基础数据和理论支撑。. 围绕上述研究，发表学术论文14篇(其中SCI收录6篇，EI收录7篇，包括为《化工学报》撰写“综述和专论”文章1篇)，撰写专著1章，参加国内外学术会议4次（其中2次为特邀报告），获得3项国家发明专利授权并申请2项国家发明专利，获教育部高等学校自然科学二等奖1项。