气液固循环流化床自组织结构可视化研究

论文摘要

自组织现象是指自然界中自发形成的宏观时空有序结构现象,是十分普遍的自然和社会现象。自然界中典型的自组织现象有:Bénard流体的对流花纹、Belousov-Zhabotinsky化学振荡花纹与化学波、激光器中的自激振荡等。流态化系统也常出现自组织流动现象,流化的固体颗粒自发地以聚团形式有规律运动,气泡及其尾涡做螺旋式上升运动等。对气液固循环流化床（Gas-Liquid-solid circulating Fluidized Bed,GLSCFB）体系内的自组织流动结构,尤其是颗粒团聚行为以及气泡与颗粒混合团聚行为等开展研究,可以增加对系统的基础理解,并为改善其传质、传热性能,开发高效流化床反应器提供理论依据,从而具有重要的理论意义和实践价值。但国内外这方面的报道较匮乏。本文设计和建立了一套气-液-固循环流化床装置,通过搭建CMOS高速摄像测试系统,对GLSCFB上行床及下行床内的自组织团聚行为进行了较为系统的实验研究。分别以成颗粒团聚状态颗粒数和成混合团聚状态颗粒数占总颗粒数的比率以及成混合团聚状态气泡数占总气泡数的比率等几个物理量为目标函数,考察了操作条件、流体物性和颗粒物性等对GLSCFB内团聚行为的影响,得到了一些结果。在GLSCFB内存在的颗粒团聚体以二、三重颗粒团居多,混合团聚体一般以一个气泡夹带二至四个颗粒所组成的混合团聚体居多。在本实验研究操作条件范围内,颗粒团聚体的平均生命周期维持在0.07 s左右,而混合团聚体的平均生命周期受外界影响较大,变化范围为0.020.07 s。GLSCFB内的自组织团聚行为与操作条件、物性和流体力学方面存在密切联系。其中对团聚行为总体上起减缓作用的因素有主水流的增大、颗粒直径和颗粒密度的增大;而对团聚行为总体上起增强作用的因素是辅助水流的增大、液体黏度的增大。分形维数可以从几何角度描述GLSCFB内的自组织团聚行为,团聚行为的增强可导致分形维数的降低。在分形维数、相含率和团聚行为三者中知道其中两者的变化可判断第三者的变化。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 前言
• 第一章 文献综述
• 1.1 三相流态化非均匀性
• 1.1.1 非均匀三相流态化
• 1.1.2 气泡流动结构
• 1.1.3 颗粒流动结构
• 1.1.4 三相流态化的影响因素
• 1.2 自组织现象与分形理论
• 1.2.1 流化床内的自组织流动结构
• 1.2.2 分形与分形维数
• 1.3 可视化技术与数字图像处理
• 1.3.1 CMOS 高速摄像技术与特点
• 1.3.2 数字图像处理
• 1.3.3 高速摄像技术用于自组织研究的可行性
• 1.4 本论文研究方案
• 第二章 实验装置及测试系统
• 2.1 实验装置及流程
• 2.2 实验材料
• 2.2.1 颗粒和流体物性
• 2.2.2 液体黏度的调节
• 2.2.3 液体表面张力的调节
• 2.3 数字图像采集与图片处理
• 2.3.1 CMOS 高速摄像系统
• 2.3.2 三相图片的气泡分离
• 2.3.3 数字图像处理过程
• 第三章 GLSCFB 的一般流体力学研究
• 3.1 颗粒循环速度
• 3.1.1 操作条件对Gs 的影响
• 3.1.2 液体性质的变化对Gs 的影响
• 3.1.3 颗粒性质的改变对Gs 的影响
• 3.2 平均相含率
• 3.2.1 气液固三相上行床的相含率
• 3.2.2 液固两相及气液固三相下行床的相含率
• 3.3 气液固三相循环流化床内气泡运动行为的研究
• 第四章 GLSCFB 的自组织团聚行为研究
• 4.1 GLSCFB 内团聚体的形式、外形及其形成与破碎过程分析
• 4.1.1 GLSCFB 内团聚体的形式、外形与尺寸
• 4.1.2 GLSCFB 内颗粒团聚体的形成与破碎过程分析
• 4.1.3 GLSCFB 内混合团聚体的形成与破碎过程分析
• 4.2 GLSCFB 内团聚行为的影响因素
• 4.2.1 主水流表观液速对团聚行为的影响
• 4.2.2 辅助水流表观液速对团聚行为的影响
• 4.2.3 上行床表观气速对团聚行为的影响
• 4.2.4 下行床表观气速对团聚行为的影响
• 4.2.5 液体表面张力对团聚行为的影响
• 4.2.6 液体黏度对团聚行为的影响
• 4.2.7 颗粒直径对团聚行为的影响
• 4.2.8 颗粒密度对团聚行为的影响
• 4.3 GLSCFB 内团聚体的生命周期
• 第五章 团聚行为与分形维数的研究
• 5.1 GLSCFB 内流动结构图自相似性判断
• 5.2 GLSCFB 内团聚行为与分形维数的关系
• 5.3 分形维数的影响因素
• 5.3.1 GLSCFB 的操作条件对分形维数的影响
• 5.3.2 液体性质的改变对分形维数的影响
• 第六章 结论与建议
• 6.1 结论
• 6.2 建议
• 参考文献
• 符号表
• 发表论文及科研情况说明
• 致谢