【摘 要】
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流化床具备构造简单、操作便捷等优势,被广泛应用于石油、化工、环境等领域。研究流化床内流动及传质特性对于提高生产效率,设计、优化和放大流化床都具有重要意义。本文基于电导探针测量技术并结合数值模拟方法对流化床内空泡份额、气泡大小与分布等特征进行分析研究。具体研究内容如下:1.电导探针阵列测量系统设计与优化。设计了七通道双探头电导探针阵列,用于测量径向7个不同位置上空泡份额及气泡大小与分布。基于COMS
【基金项目】
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国家自然科学基金重大科研仪器研制项目“基于电/磁双模层析成像的高固含量气液固三相流态化实验装置”（批准号:61627803）； 国家自然科学基金项目“基于凝结旋流运动映射的超音速分离器多维性能优化研究”（批准号:51876143）； 国家自然科学基金项目“雾环状流涡街稳定性与测量机理研究”（批准号:61873184）；
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流化床具备构造简单、操作便捷等优势,被广泛应用于石油、化工、环境等领域。研究流化床内流动及传质特性对于提高生产效率,设计、优化和放大流化床都具有重要意义。本文基于电导探针测量技术并结合数值模拟方法对流化床内空泡份额、气泡大小与分布等特征进行分析研究。具体研究内容如下:1.电导探针阵列测量系统设计与优化。设计了七通道双探头电导探针阵列,用于测量径向7个不同位置上空泡份额及气泡大小与分布。基于COMSOL电场仿真,对探针伸出外壳长度L1、径向距离d及探头轴向距离L进行了优化,最终确定最佳尺寸L1=2 mm,d=1.4 mm,L=7 mm。同时设计了信号滤波放大模块和Lab VIEW信号采集系统。2.建立CFD-PBM耦合数值模拟模型。基于离散法求解PBM模型,利用UDF针对不同气泡尺寸分别求解曳力,建立了考虑群体气泡尺寸的曳力修正模型,通过实验验证,模型对气液及气液固体系中空泡份额及气泡大小分布具有良好的预测性。此外,对比传质模型中渗透模型、表面更新理论及湍流涡元模型,气速在0.0142 m/s～0.283 m/s范围内,渗透模型具有更好的适用性。3.流化床内特征参数研究。基于电导探针实验测量及CFD-PBM数值模拟,在不同气相速度、液相粘度以及表面张力、固相体积分数等条件下,对流化床内流动及传质特征进行了研究。结果表明在DN100流化床体系内,径向空泡份额、气泡大小与分布及传质系数都会随着气速的增大而增大,径向不同位置上的气泡尺寸分布出现了由单峰向双峰的转变。液相粘度、表面张力和固相体积分数的增大均会促进气泡的聚并,大气泡增多,削弱传质的进行。同时,液相粘度的增大会加快气泡尺寸分布由单峰向双峰的转变。4.建立空泡份额预测模型。基于漂移理论,对气液体系不同流型下的空泡份额进行了预测,均匀鼓泡流和过渡流相对误差在±10%之内,柱塞流在±5.0%内。最后基于CFD-PBM数值模型对不同液相粘度下空泡份额的模拟结果,对预测模型进行了修正,修正后的模型在均匀鼓泡流、过渡流及柱塞流中相对误差分别在±7.0%、±8.0%及±5.0%内,拓宽了模型适用范围,提高了预测精度。
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