基于流固电耦合的大尺度复杂流动电容层析成像机理

Supercritical circulating fluidized bed boilers (SCFBB) are in urgent need of China's high-efficiency power generation technique. One of the key issues for the development of SCFBB is making an association between the dynamic characteristics of gas-solid two-phase flow and the scale up. In this proposed project, electrical capacitance tomography (ECT) is introduced to measure the distribution of the solid concentration in the large-scale CFBB and the key scientific problems induced will be addressed. To develop a mechanism model for ECT, a CFD-DEM-FEM based fluid-solid-electricity coupling virtual measurement platform will be created. Based on the virtual measurement platform, the relevant issues with the mechanism of ECT under large-scale, complex measurement regions and complex flow conditions will be systematically investigated, including the structure of the sensor, the excitation-measurement strategy, the image reconstruction algorithm and the evaluation criteria for the image reconstruction. In the meanwhile, the dynamic characteristics of the gas-solid two-phase flow in large-scale CFB will be studied using the numerical simulation. Combining the cold state experimental studies with the pilot-scale SCFBB test platforms, the mechanism model for ECT and the fluid-solid-electricity coupling based virtual measurement platform will be verified and improved. The purpose of this project is to explore the new methods and techniques for creating the mechanism model for large-scale ECT, to reveal the intrinsic connection of the mechanism of ECT with the scale up, the complex measurement region and the complex flow, and to provide the key scientific basis and vital theoretical support for the application of ECT in SCFBB.

超临界循环流化床锅炉是我国亟待发展的高效燃烧发电技术，其中气固两相流体的动力特性与尺度放大之间的关联是锅炉大型化过程的关键。本项目拟将电容层析成像引入到大尺度循环流化床锅炉的颗粒浓度分布测量过程中，并解决其中存在的关键科学问题。建立基于CFD-DEM-FEM的流-固-电耦合虚拟测量平台，并以此为基础发展大尺度、复杂测量区域以及复杂流动条件下的电容层析成像机理模型，包括传感器结构、激励测量模式、图像重构算法以及图像重构评价准则，研究大尺度循环流化床内部气固两相流体动力特性。结合超临界循环流化床中试冷态实验研究，验证并完善电容层析成像机理模型以及流-固-电耦合虚拟测量平台。拟探索建立大尺度复杂流动电容层析成像机理模型的新的研究方法和研究手段，揭示尺度放大、复杂测量区域以及复杂流动与电容层析成像机理的内在联系，为电容层析成像在超临界循环流化床锅炉中的应用提供关键科学依据和重要理论支撑。

超临界循环流化床锅炉是我国亟待发展的高效燃烧发电技术，其中气固两相流体的动力特性与尺度放大之间的关联是锅炉大型化过程的关键。本项目将电容层析成像（ECT）引入到大尺度循环流化床锅炉的颗粒浓度分布测量过程中，并解决其中存在的关键科学问题。通过颗粒浓度和电场力将流场和静电场耦合，建立了基于计算流体模型和电磁场模型耦合的ECT虚拟测量平台，研究了大尺度、复杂测量区域以及复杂流动条件下的电容层析成像机理，包括二维、三维传感器结构、激励测量模式、图像重构算法以及图像重构评价准则，并以此为基础研究了实验室尺度及大尺度循环流化床内部气固两相流体动力特性。结合冷态实验研究结果，验证并完善了电容层析成像机理模型以及耦合仿真平台。建立了大尺度复杂流动电容层析成像机理建模新的研究方法和研究手段，揭示了尺度放大、复杂测量区域以及复杂流动与电容层析成像机理的内在联系，为电容层析成像在超临界循环流化床锅炉中的应用提供了关键科学依据和重要理论支撑。基于上述研究，共发表SCI检索的英文期刊论文16篇，其中IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement论文3篇，Measurement Science and Technology期刊封面论文1篇。中文核心期刊论文4篇，其中1篇被EI收录。EI收录的国际会议论文5篇。申请发明专利5项，授权1项。部分研究成果在清华大学深圳研究生院和航天长征化学工程股份有限公司得到应用。2016年获得中国颗粒学会科技进步奖二等奖，2017年获得IEEE成像系统与技术国际会议优秀学生论文。培养博士生2名，其中1名已经毕业；硕士生3名，其中2名已经毕业。