基于热导率场测量的悬浮液斯托克斯重力沉降过程演化特性研究

The understanding of the evolution characteristics of concentrated suspension during gravitational settling in Stokes region is the basis of controlling and utilizing the settling processes, and has always been one of the focuses in the research field of solid-liquid two-phase flow. In order to gain an mechanistic understanding of the settling process’s evolution characteristic under Stokes region, this project investigates the evolution characteristics of suspension’s settling process in Stokes region, by assuming the thermal conductivity field as the representative parameter, and by using the settling mathematical model as well as today’s advanced information processing techniques. A measurement technique will be established to determine the thermal conductivity field during suspension settling’s process using the Hedgehog inverse method and transient hot-wire technique. The solid volume fraction field and other physically meaningful state parameter fields will be obtained through an iterative calculation, which substitutes the thermal conductivity field data into the settling mathematic model. The correlation can then be established between the settling evolution characteristic and state parameter fields as well as characteristic information, using the entropy theory and data mining techniques. Ultimately, the settling evolution characteristic in Stokes region can be analyzed and predicted for different suspensions under different settling conditions. In this project, an applicable research technique for the information of settling flows is expected to be established, by which the theoretical and scientific basis can be also provided for further study on the evolution characteristic of concentrated suspension during gravitational settling in Stokes region.

掌握悬浮液斯托克斯重力沉降的演化特性是实现对其有效控制与合理利用的基础，一直以来都是液固两相流领域的研究热点和难点。本项目拟以热导率场作为沉降过程的表征参数，通过测量沉降过程中悬浮液的热导率场参数变化，并利用沉降模型及现代信息分析方法对悬浮液斯托克斯沉降过程的演化特性进行研究，旨在获得悬浮液斯托克斯沉降演化规律的客观认识。项目利用赫奇霍格反演法与多点瞬态热线法建立悬浮液沉降过程中的热导率场测量方法，将得到的热导率场参数代入沉降模型，迭代计算表征悬浮液沉降演化特性的固相含率场以及具有明确物理意义的其他状态参数场，综合运用信息熵和各种数据挖掘方法，建立状态参数场、信息特征量与沉降演化特性之间的关联关系，从而可对不同悬浮液在不同诱导条件下的沉降演化特性进行分析和预测。本项目可望形成具有实际应用价值的沉降流动信息研究方法，可为深入研究悬浮液斯托克斯重力沉降过程的演化特性提供理论基础和科学依据。

掌握悬浮液斯托克斯重力沉降的演化特性是实现对其有效控制与合理利用的基础，一直以来都是液固两相流领域的研究热点和难点。项目以冰晶石基熔体氧化铝颗粒悬浮系统为对象，围绕氧化铝颗粒在熔体沉降过程中固相运动-传质特性的检测、分析与应用，采用实验和数值模拟研究方法，对氧化铝颗粒的沉降溶解行为进行研究。主要关注氧化铝颗粒溶解控制机制，分散特性以及颗粒沉降过程中的运动规律。项目提出了一种通过测量不同空间位置的熔体液相热导率随时间变化特性，来确定固液相界面所在位置的方法。基于固/液反应动力学理论提出了颗粒反应-扩散控制的沉降-溶解模型，引入Da数描述颗粒沉降-溶解过程中控制机制的演变，并将数值计算结果与实验结果进行了对比，验证了模型的准确性。探讨了氧化铝颗粒粒径，流体温度、湍流强度及熔体组分对颗粒溶解机制和沉降特性的影响规律，研究表明氧化铝颗粒沉降-溶解过程由界面化学反应和分子扩散联合控制。基于颗粒沉降特性模型和颗粒反应-扩散控制溶解模型，采用CFD-DPM法，对氧化铝颗粒在流体中宏观沉降与微观溶解过程进行了数值模拟研究。通过对比固相浓度和温度变化的实验数据，对数学模型及数值方法进行了验证。深入探讨了氧化铝颗粒群在沉降过程中固相颗粒粒径、浓度分布演化规律及溶解特性。本项目研究成果有助于深入理解氧化铝冰晶石悬浮液体系中固/液相间作用规律、颗粒溶解反应动力学和界面传热传质机理等一系列基础科学问题，对相关领域的科学研究和工程应用具有重要借鉴意义。