氣固流化床圓柱顆粒的多尺度運動機制研究

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1、學(xué)校代碼：10286分類號：TK09密級：公開UDC：621.1學(xué)號：119074氣固流化床圓柱顆粒的多尺度運動機制研究研究生姓名：陳曦導(dǎo)師姓名：鐘文琪申請學(xué)位類別工學(xué)博士學(xué)位授予單位東南大學(xué)一級學(xué)科名稱論文答辯日期2018年5月21日動力工程及工程熱物理二級學(xué)科名稱熱能工程學(xué)位授予日期2018年月日答辯委員會主席章名耀評閱人2018年6月4日THEMULTI-SCALEMECHANISMOFCYLINDRICALPARTICLEFLUIDIZATIONINFLUIDIZEDBEDADissert

2、ationSubmittedtoSoutheastUniversityFortheAcademicDegreeofDoctorofEngineeringBYCHENXiSupervisedbyProf.ZHONGWen-qiSchoolofEnergyandEnvironmentSoutheastUniversityJune2018東南大學(xué)學(xué)位論文獨創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究工作及取得的研宄成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含

3、其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研宄成果。與我，也不包含為獲得東南大學(xué)或其它教育機構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料一同工作的同志對本研宄所做的任何貢獻均己在論文中作了明確的說明并表示了謝意。研宄生簽名：東南大學(xué)學(xué)位論文使用授權(quán)聲明東南大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)信息研究所、國家圖書館、《中國學(xué)術(shù)期刊（光盤版）》電子雜志社有限公司、萬方數(shù)據(jù)電子出版社、北京萬方數(shù)據(jù)股份有限公司有權(quán)保留本人所送交學(xué)位、論文的復(fù)印件和電子文檔，可以采用影印縮印或其他復(fù)制手段保存論文。本人電子文檔的一內(nèi)容和紙質(zhì)論

4、文的內(nèi)容相致，允，可。除在保密期內(nèi)的保密論文外許論文被查閱和借閱以公布（包括以電子信息形式刊登）論文的全部內(nèi)容或中、英文摘要等部分內(nèi)容。論文的公布（包括以電子信息形式刊登）授權(quán)東南大學(xué)研宄生院辦理。研究生簽名：中文摘要中文摘要隨著固體廢棄物導(dǎo)致的環(huán)境和社會問題日益嚴(yán)峻，生物質(zhì)和可燃固體廢棄物（以下稱可燃固廢）的資源化利用逐漸受到人們的重視。使用流化床對生物質(zhì)和可燃固廢進行熱解、燃燒和氣化等熱化學(xué)處理可以實現(xiàn)廢棄物減量化的同時提供熱/電等能源，因此成為資源化利用的常見手段。生物質(zhì)和可

5、燃固廢多以圓柱顆粒形式與流化介質(zhì)在流化床中共同流化并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此是一個異重/異形多組分顆粒共流化過程，具有復(fù)雜的多尺度流動結(jié)構(gòu)，易發(fā)生溫度和產(chǎn)物不均從而影響處理的連續(xù)性和可靠性。這些問題必須依靠基于多尺度流動理論的優(yōu)化方法才能夠解決，但是現(xiàn)有研究大多數(shù)關(guān)注于圓柱顆粒共流化過程的宏觀設(shè)備尺度規(guī)律，研究結(jié)果泛用性和推廣性不強。對于深層次的介觀尺度和顆粒尺度機理認識不足，對于尺度間作用的耦合和傳遞機制研究也不完善，還遠遠不能滿足工業(yè)應(yīng)用的需求。另一方面，測量手段的不足也制約了對于圓柱顆粒多尺度氣固

6、流動特性的研究，特別是稠密氣固流動狀態(tài)下顆粒尺度運動細節(jié)的測量還缺乏較為可靠的方法。本文構(gòu)建了基于X光的圓柱顆粒稠密氣固流動測量系統(tǒng)和方法，并在此基礎(chǔ)上探索了圓柱顆粒的多尺度氣固流動規(guī)律，建立具有普適性的跨尺度關(guān)鍵參數(shù)機理模型。主要內(nèi)容及結(jié)論如下：分別構(gòu)建了單視/雙視X光透視成像軟硬件系統(tǒng)，并在這兩套系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上實現(xiàn)了X光流化床空隙率測量方法、單視X光顆粒示蹤測量方法、雙視X光顆粒示蹤測量方法以及雙視X光氣泡參數(shù)測量方法，對以上方法的關(guān)鍵技術(shù)和誤差評估等方面進行了系統(tǒng)性研究。成功測量了稠密氣固流

7、動條件下圓柱顆粒的三維位置、速度和姿態(tài)角度，以及氣泡尺寸和速度等以往技術(shù)難以獲得的顆粒尺度與介觀尺度運動參數(shù)。在顆粒尺度方面發(fā)現(xiàn)了顆粒的自轉(zhuǎn)現(xiàn)象并闡述了其發(fā)生機理；發(fā)現(xiàn)了圓柱顆粒位置分布、速度和姿態(tài)角度等隨顆粒形狀、質(zhì)量分數(shù)和氣速等宏觀操作參數(shù)的變化規(guī)律，為圓柱顆粒在共流化過程中的精準(zhǔn)運動調(diào)控奠定基礎(chǔ)；在介觀尺度方面，探討了圓柱顆粒性質(zhì)和操作參數(shù)對于氣泡形態(tài)和運動的影響規(guī)律，揭示了圓柱顆粒對于氣泡的作用機理；在設(shè)備尺度方面，建立了適用于更寬工況范圍的流型劃分方式，發(fā)現(xiàn)了不同的流型轉(zhuǎn)變途徑及其變化規(guī)

8、律，并繪制了圓柱顆粒在共流化過程中的流動相圖。發(fā)現(xiàn)了兩種不穩(wěn)定流化模式并闡述了其發(fā)生機理。提出了理想均勻顆粒群與圓柱顆粒間的介觀尺度一維相互作用機理模型，成功采用該模型解釋了不穩(wěn)定流化、無法流化等設(shè)備尺度流化現(xiàn)象的產(chǎn)生機制，并在該模型的基礎(chǔ)上提出了部分流化（P）流型下圓柱顆粒起始（終止）流化速度的關(guān)聯(lián)式。成功實現(xiàn)對氣泡和圓柱顆粒間相互作用過程的直接測量以及三維重構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了顆粒性質(zhì)和操作參數(shù)對于氣泡-圓柱顆粒調(diào)控作用的影響規(guī)律；闡明了圓柱顆粒多種運動模式的產(chǎn)生機制，推動了對于圓柱顆粒