气固流化床圆柱颗粒的多尺度运动机制研究

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1、学校代码：10286分类号：TK09密级：公开UDC：621.1学号：119074气固流化床圆柱颗粒的多尺度运动机制研究研究生姓名：陈曦导师姓名：钟文琪申请学位类别工学博士学位授予单位东南大学一级学科名称论文答辩日期2018年5月21日动力工程及工程热物理二级学科名称热能工程学位授予日期2018年月日答辩委员会主席章名耀评阅人2018年6月4日THEMULTI-SCALEMECHANISMOFCYLINDRICALPARTICLEFLUIDIZATIONINFLUIDIZEDBEDADissert

2、ationSubmittedtoSoutheastUniversityFortheAcademicDegreeofDoctorofEngineeringBYCHENXiSupervisedbyProf.ZHONGWen-qiSchoolofEnergyandEnvironmentSoutheastUniversityJune2018东南大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研宄成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含

3、其他人已经发表或撰写过的研宄成果。与我，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料一同工作的同志对本研宄所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研宄生签名：东南大学学位论文使用授权声明东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、《中国学术期刊（光盘版）》电子杂志社有限公司、万方数据电子出版社、北京万方数据股份有限公司有权保留本人所送交学位、论文的复印件和电子文档，可以采用影印缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的一内容和纸质论

4、文的内容相致，允，可。除在保密期内的保密论文外许论文被查阅和借阅以公布（包括以电子信息形式刊登）论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布（包括以电子信息形式刊登）授权东南大学研宄生院办理。研究生签名：中文摘要中文摘要随着固体废弃物导致的环境和社会问题日益严峻，生物质和可燃固体废弃物（以下称可燃固废）的资源化利用逐渐受到人们的重视。使用流化床对生物质和可燃固废进行热解、燃烧和气化等热化学处理可以实现废弃物减量化的同时提供热/电等能源，因此成为资源化利用的常见手段。生物质和可

5、燃固废多以圆柱颗粒形式与流化介质在流化床中共同流化并发生化学反应，因此是一个异重/异形多组分颗粒共流化过程，具有复杂的多尺度流动结构，易发生温度和产物不均从而影响处理的连续性和可靠性。这些问题必须依靠基于多尺度流动理论的优化方法才能够解决，但是现有研究大多数关注于圆柱颗粒共流化过程的宏观设备尺度规律，研究结果泛用性和推广性不强。对于深层次的介观尺度和颗粒尺度机理认识不足，对于尺度间作用的耦合和传递机制研究也不完善，还远远不能满足工业应用的需求。另一方面，测量手段的不足也制约了对于圆柱颗粒多尺度气固

6、流动特性的研究，特别是稠密气固流动状态下颗粒尺度运动细节的测量还缺乏较为可靠的方法。本文构建了基于X光的圆柱颗粒稠密气固流动测量系统和方法，并在此基础上探索了圆柱颗粒的多尺度气固流动规律，建立具有普适性的跨尺度关键参数机理模型。主要内容及结论如下：分别构建了单视/双视X光透视成像软硬件系统，并在这两套系统的基础之上实现了X光流化床空隙率测量方法、单视X光颗粒示踪测量方法、双视X光颗粒示踪测量方法以及双视X光气泡参数测量方法，对以上方法的关键技术和误差评估等方面进行了系统性研究。成功测量了稠密气固流

7、动条件下圆柱颗粒的三维位置、速度和姿态角度，以及气泡尺寸和速度等以往技术难以获得的颗粒尺度与介观尺度运动参数。在颗粒尺度方面发现了颗粒的自转现象并阐述了其发生机理；发现了圆柱颗粒位置分布、速度和姿态角度等随颗粒形状、质量分数和气速等宏观操作参数的变化规律，为圆柱颗粒在共流化过程中的精准运动调控奠定基础；在介观尺度方面，探讨了圆柱颗粒性质和操作参数对于气泡形态和运动的影响规律，揭示了圆柱颗粒对于气泡的作用机理；在设备尺度方面，建立了适用于更宽工况范围的流型划分方式，发现了不同的流型转变途径及其变化规

8、律，并绘制了圆柱颗粒在共流化过程中的流动相图。发现了两种不稳定流化模式并阐述了其发生机理。提出了理想均匀颗粒群与圆柱颗粒间的介观尺度一维相互作用机理模型，成功采用该模型解释了不稳定流化、无法流化等设备尺度流化现象的产生机制，并在该模型的基础上提出了部分流化（P）流型下圆柱颗粒起始（终止）流化速度的关联式。成功实现对气泡和圆柱颗粒间相互作用过程的直接测量以及三维重构，发现了颗粒性质和操作参数对于气泡-圆柱颗粒调控作用的影响规律；阐明了圆柱颗粒多种运动模式的产生机制，推动了对于圆柱颗粒