试析液固流化床流动结构及分形重构的研究

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1、天津大学硕士学位论文液固流化床流动结构及分形重构的研究姓名：安晓冬申请学位级别：硕士专业：化学工程指导教师：刘明言20070101摘要液固流化床反应器具有温度分布均匀，良好的传热、传质效果等特点在化工、生物、食品工业方面得到了越来越广泛的应用。对于液固流化床最化描述的难点在于多相系统内部的复杂时空流动结构，或称自相干结构，自组织结构等。本文分别建立了二维、三维液固流化床装置，应用CCD图像采集和处理系统，并编制了相应的图像处理软件，采用分形分析方法，对液固流化床内部的固体颗粒流动结构进行了研究。考察了不同操作条件：表观液速

2、、颗粒大小、以及颗粒密度对颗粒自组织结构的影响。研究结果表明，二维液固流化床内存在着固体颗粒以颗粒团形式运动的不均匀结构。大颗粒团多为带状，小的颗粒团的形状呈现不规则性。分形维数可以用来表征颗粒自组织结构。高分形维数对应颗粒团聚明显也就是自组织现象明显的状况，低分形维数对应颗粒团聚现象不明显的状况。分形维数随表观液速的增大而减小，随颗粒直径的增加而减小，随颗粒密度增加而增加。在三维液固流化床体系中，表观液速、颗粒直径对分形数维的影响规律同二维液固流化床体系一致。同时，以分形理论为基础，提出了分形假说，利用经典的具有递归模式

3、的Cantor分形集，对二维液固流化床内出现的固体颗粒自组织结构进行了重构。分形重构模拟结果能在一定程度上重现液固流化床内出现的颗粒自组织结构。颗粒大小以及颗粒密度对颗粒聚团大小以及颗粒聚团分布的影响与实验所得规律有相同趋势。关键词：CCD；液固流化床；团聚；自组织；分形；分形维数；模型ABSTRACTTheliquid-solidfluidizedbedsarewidelyusedinchemical．biochemicaIandfoodindustriesbecauseoftheiruniqueadvantagessu

4、chasfullliquid-solidcontactandhiighheatandmasstransferrates．However，theaccuracydescriptionofitssolidclustercharacteriSstilladi仟iculttask．Inthispaper，inordertobeaerunderstandthecomplexfluidhydrodynamicsintheliquid—solidfluidizedbedsandtodevelopproperphysicalandmath

5、ematicalmodel，experimentswerecardedoutinatwo·-dimensionalliquid··solidfluidizedbedandathree-dimensionalliquid-solidfluidizedbed．Theclusteringbehaviorofsolidparticlesintheliquid—solidfluidizedbedwasmeasuredbyusingtheCCDimagemeasuringandprocessingsystemandWascharact

6、erizedbythefractalanalysismethod．TheCCDimagesshowthatthedistributionofsolidparticlesintheliquid·solidfluidizedbedisnotuniformandtheclusteringphenomenonofsolidparticlesisobservedundertheexperimentalconditions．Itisobviousthatmanysolidparticlesmoveupinthebedsingroups

7、namedcluster,andtheconfigurationsofclustersareanomalousbutthebigclusterareoftenintheformofstrandstructures．Inthetwo-dimensionalliquid—solidfluidizedbed，thefractaldimensionincreaseswiththeincreasesofthesolidholdupanddecreaseswiththeincreaseofthesolidparticlediamete

8、randliquidsuperficialvelocity，andatgivensolidholdupandparticlesize，thelightparticlesshowasmallerfractaldimension．Inthethree-dimensionalliquid·solidfluid