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項目名稱： 工業(yè)多相流結(jié)構(gòu)與行為的定量預(yù)測理論和優(yōu)化調(diào)控方法
推薦單位： 中國科學(xué)院
項目簡介： 本項目屬工程技術(shù)科學(xué)領(lǐng)域。
氣固移動床與流化床在化工、冶金、能源等工業(yè)中廣泛應(yīng)用，但仍有一些瓶頸問題亟待解決。如何防止移動床中經(jīng)常發(fā)生的串氣、節(jié)涌及架拱，使其操作保持穩(wěn)定、安全、可控；如何抑制氣固流化床中存在的氣泡和聚團(tuán)，實現(xiàn)氣固接觸良好的均勻流態(tài)化，以提高傳熱、傳質(zhì)速率和生產(chǎn)能力，具有重要的理論和實用意義，是該領(lǐng)域的前沿課題。從1982年至今，針對上述問題進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，取得了多項創(chuàng)新性研究成果：
（1）將散料力學(xué)與多相流理論相結(jié)合，建立了新的氣固移動床動力學(xué)理論，可定量預(yù)測和調(diào)控移動床中氣固流率、孔口流率、架拱、V型閥排料、L型閥排料、料腿的料封能力等各種操作狀態(tài)，使這一領(lǐng)域的研究與實踐從半經(jīng)驗上升至理論。據(jù)此發(fā)明的V型排料閥已被國內(nèi)外采用，相關(guān)成果獲中國科學(xué)院自然科學(xué)二等獎。
（2）研制了流化床聚團(tuán)測試系統(tǒng)，首次拍攝到快速流化床中聚團(tuán)相與分散相兩相結(jié)構(gòu)，澄清了學(xué)術(shù)界關(guān)于快速床中是否存在聚團(tuán)的疑問，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)了聚團(tuán)的形成與運(yùn)動規(guī)律，引起國內(nèi)外極大關(guān)注，相關(guān)的3篇論文被他人引用130次。
（3）系統(tǒng)地建立了顆粒設(shè)計、流體設(shè)計、外力場設(shè)計以及床型與內(nèi)構(gòu)件設(shè)計等方法，對氣固兩相流的結(jié)構(gòu)和行為進(jìn)行優(yōu)化調(diào)控，使難于流態(tài)化的粘性及超細(xì)顆粒實現(xiàn)了均勻流態(tài)化，并成功應(yīng)用于上海焦化廠與攀鋼的工業(yè)中試裝置。相關(guān)成果獲中國科學(xué)院自然科學(xué)一等獎。
（4）建立了一系列評價流化質(zhì)量的方法與指標(biāo)。首次采用光纖探頭測量多相流中顆粒濃度，研發(fā)的光纖濃度測試儀已為國內(nèi)外廣泛應(yīng)用；最先采用光纖探頭自動跟蹤床層料面，研發(fā)的光纖床層塌落儀受到國內(nèi)外專家好評，獲中國科學(xué)院科技成果二等獎。
本研究共發(fā)表論文150 余篇（SCI收錄34篇，EI收錄71篇），英文專著6章，中文專著2部，獲發(fā)明專利5項，實用新型專利10項，鑒定成果6項。論著被他人引用702次，其中SCI期刊他人引用418次。10篇代表性論著被他人引用270次，其中SCI期刊他人引用146次。
主要發(fā)現(xiàn)點(diǎn)： 3．主要發(fā)現(xiàn)點(diǎn)：
（1）采用自制的光導(dǎo)纖維微觀攝像系統(tǒng)，在國內(nèi)外首次拍攝到快速流化床中顆粒聚團(tuán)及聚團(tuán)相與分散相兩相結(jié)構(gòu)的照片，澄請了國內(nèi)外學(xué)術(shù)界關(guān)于快速床中是否存在聚團(tuán)的疑問，進(jìn)而觀測和發(fā)現(xiàn)了聚團(tuán)的形成和運(yùn)動規(guī)律，得到聚團(tuán)尺寸主要與顆粒濃度相關(guān)的重要結(jié)論。（工程流體力學(xué)，代表性論著2、3、11）
（2）將散料力學(xué)與多相流理論相結(jié)合，建立了氣固移動床動力學(xué)理論，并得到如下的拓展與應(yīng)用：
提出了傾斜移動床產(chǎn)生附加重力壁摩擦力的概念，建立了傾斜度與空隙率的理論關(guān)系式，從而將該理論拓展到傾斜系統(tǒng)。
繪制出氣固移動床相圖，可定量表示可能存在的13種操作模式。由相圖發(fā)現(xiàn)并經(jīng)實驗證實存在理想料封狀態(tài)。
發(fā)明了臨界移動床輸送、V型排料閥、抗壓穩(wěn)流加料器等多項專利技術(shù)。
建立了移動床氣固流動、孔口流動、架拱、V型排料閥、L型排料閥、氣力移動床輸送的動力學(xué)模型。
(工程流體力學(xué)、顆粒學(xué)，代表性論著1、9、16，17）
（3）通過實驗，發(fā)現(xiàn)并建立了如下納微顆粒聚團(tuán)的均勻流態(tài)化方法：
發(fā)現(xiàn)納微顆粒形成低密度小尺寸聚團(tuán)時，可實現(xiàn)均勻流態(tài)化；添加適當(dāng)組分可降低原始顆粒粘性，形成低密度小尺寸聚團(tuán)，實現(xiàn)均勻流態(tài)化。顆�；蚓蹐F(tuán)的當(dāng)量比表面積是決定因素。
發(fā)現(xiàn)提高氣體壓力，直至超臨界狀態(tài)，隨著氣體密度的提高，氣固流態(tài)化可由不均勻向均勻轉(zhuǎn)化。
發(fā)現(xiàn)在外加軸向恒定或橫向旋轉(zhuǎn)磁場作用下，加入納微顆粒流化床中的鐵磁性顆�？尚纬纱怪被蛩阶孕�"針狀物"，這些"針狀物"可有效破碎氣泡與聚團(tuán)，實現(xiàn)均勻流態(tài)化。
發(fā)現(xiàn)在快速床中加入環(huán)形內(nèi)構(gòu)件可驅(qū)使顆粒均勻分布；在納微顆粒流化床加入多孔斜片擋板可有效破壞節(jié)涌、氣泡和聚團(tuán)，實現(xiàn)均勻流態(tài)化；提升管中具有懸浮粗顆粒的高氣速納微顆粒循環(huán)流化床的聚團(tuán)尺寸小且無氣泡；V型閥－錐形流態(tài)化料腿可避免堵塞，實現(xiàn)納微顆粒聚團(tuán)的穩(wěn)定循環(huán)。
（工程流體力學(xué)、顆粒學(xué)、化工流變學(xué)，代表性論著4、5、6、7、8、10、14、18）
（4）在國內(nèi)外首先采用光纖探頭測量多相流中的顆粒濃度，已被國內(nèi)外廣泛采用；研制成功光纖跟蹤料面床層塌落儀、多功能流態(tài)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用以評價流態(tài)化質(zhì)量；提出一系列評價流化質(zhì)量的指標(biāo)。
（顆粒學(xué)、化工流變學(xué)，代表性論著10、12，13、14、15）
（5）首次提出聚團(tuán)準(zhǔn)數(shù)，用以評價納微顆粒的聚團(tuán)能力和流化性能，建立了聚團(tuán)碰撞力平衡模型，可較準(zhǔn)確預(yù)測流態(tài)化聚團(tuán)的平衡尺寸。（顆粒學(xué)、工程流體力學(xué)，代表性論著6、10、18）
主要完成人： 1. 李洪鐘
(1) 將散料力學(xué)理論與多相流理論相結(jié)合，建立了氣固移動床動力學(xué)理論，并將該理論進(jìn)行了實驗驗證。（發(fā)現(xiàn)點(diǎn)2）
(2) 為了實現(xiàn)氣固流態(tài)化的均勻化，提出顆粒設(shè)計和流體設(shè)計（內(nèi)因）、外力場設(shè)計和床型及內(nèi)構(gòu)件設(shè)計（外因）的總體研究思路，進(jìn)而領(lǐng)導(dǎo)項目組成員與研究生進(jìn)行了系統(tǒng)研究，獲得滿意結(jié)果。（發(fā)現(xiàn)點(diǎn)3）
(3) 用自制微觀攝像探頭成功攝取到快速流化床內(nèi)的瞬態(tài)聚團(tuán)照片，證實了聚團(tuán)的存在，消除了國內(nèi)外學(xué)術(shù)界的疑問。論文發(fā)表后，引起廣泛關(guān)注，被大量引用。（發(fā)現(xiàn)點(diǎn)1）
(4) 提出多功能流態(tài)化質(zhì)量評價系統(tǒng)的構(gòu)思，并與同事合作研制成功，獲發(fā)明專利。（發(fā)現(xiàn)點(diǎn)4）
本人在該項目工作量占本人工作量的70％。
2. 郭慕孫
(1) 提出臨界移動床輸送和V型閥移動床排料的研究課題；提出抑制氣固系統(tǒng)中的氣泡與聚團(tuán)、實現(xiàn)氣固流態(tài)化散式化的研究課題。（發(fā)現(xiàn)點(diǎn)2、3）
(2) 提出快速流化床中存在顆粒聚團(tuán)相和分散相兩相結(jié)構(gòu)，建立了模型，指導(dǎo)研究人員用自行研制的設(shè)備在快速床中拍攝到聚團(tuán)相與分散相的照片。相關(guān)論文得到國內(nèi)外學(xué)術(shù)界的引用。（發(fā)現(xiàn)點(diǎn)1）
(3) 指導(dǎo)博士研究生進(jìn)行臨界移動床輸送、V型排料閥、顆粒與添加組分設(shè)計、細(xì)顆粒流態(tài)化、超臨界流體流態(tài)化、旋轉(zhuǎn)磁場流態(tài)化的研究，發(fā)表的論文得到國內(nèi)外學(xué)術(shù)界好評。（發(fā)現(xiàn)點(diǎn)2、3）
(4) 指導(dǎo)光纖跟蹤床層塌落儀和多功能流態(tài)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研制工作。（發(fā)現(xiàn)點(diǎn)4）
本人在該項目中的工作量占本人工作量60％。
3. 朱慶山
(1) 對超細(xì)與粘性顆粒的磁場流態(tài)化進(jìn)行了系統(tǒng)研究。發(fā)現(xiàn)在軸向均勻磁場作用下，加入流化床中的鐵磁性顆粒沿磁力線方向形成一定長度的"鏈狀物"，這些"鏈狀物"，可有效破碎氣泡、溝流與聚團(tuán)，改善超細(xì)與粘性顆粒流化質(zhì)量。提出用于判斷鐵磁性顆粒在磁場流化床中是否發(fā)生凝聚的凝聚準(zhǔn)數(shù)。（發(fā)現(xiàn)點(diǎn)3）
(2) 采用雙光纖探頭測量系統(tǒng)，測定了快速流化床中聚團(tuán)的大小、速度及其在床中的軸、徑向分布，發(fā)現(xiàn)聚團(tuán)尺度呈單峰分布；聚團(tuán)的運(yùn)動方向時上時下，在床下段向上與向下運(yùn)動幾率相同，在床上段多數(shù)聚團(tuán)向上運(yùn)動，邊壁區(qū)域多數(shù)聚團(tuán)向下運(yùn)動，為快速流化床數(shù)學(xué)模型的建立提供了依據(jù)。（發(fā)現(xiàn)點(diǎn)1）
本人在該項目中的工作量占本人工作量的60％。
4. 呂雪松
(1) 對超細(xì)與粘性顆粒在橫向旋轉(zhuǎn)磁場中的流態(tài)化行為進(jìn)行了系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)在橫向旋轉(zhuǎn)磁場作用下，加入流化床中的鐵磁性顆粒形成許多做自旋運(yùn)動的鏈狀物，如同無數(shù)微攪拌漿一般，可有效破碎氣泡、溝流與聚團(tuán)，改善流態(tài)化質(zhì)量。（發(fā)現(xiàn)點(diǎn)3）
(2)研究了內(nèi)構(gòu)件對超細(xì)及粘性顆粒流化行為的影響。發(fā)現(xiàn)水平擋板型內(nèi)構(gòu)件，尤其是孔漿式內(nèi)構(gòu)件可有效破壞氣泡、節(jié)涌與聚團(tuán)，改善流化質(zhì)量。還將該成果成功地用于上海焦化廠超細(xì)炭黑臭氧氧化制特種炭黑擋板流化床反應(yīng)器的設(shè)計，生產(chǎn)出高品質(zhì)的特種炭黑。（發(fā)現(xiàn)點(diǎn)3）
(3)提出采用壓力波動信號的小波分析法確定流化床中的氣泡尺寸和頻率。（發(fā)現(xiàn)點(diǎn)4）
本人在該項目中的工作量占本人工作量的70％。
5. 周濤
(1)提出了流態(tài)化聚團(tuán)準(zhǔn)數(shù)，用來評價納微顆粒的聚團(tuán)能力與流態(tài)化性能。建立了聚團(tuán)碰撞力平衡模型，可較準(zhǔn)確地預(yù)測流態(tài)化床中納微顆粒聚團(tuán)的平衡尺寸。（發(fā)現(xiàn)點(diǎn)5）
(2)發(fā)現(xiàn)添加組分可降低原始顆粒的粘度，從而改善納微顆粒流態(tài)化質(zhì)量。建立了預(yù)測雙組分混合物粘度的計算模型以及由流態(tài)化準(zhǔn)數(shù)確定最佳添加量的方法。（發(fā)現(xiàn)點(diǎn)3）
本人做為博士研究生參加本項目，在該項目中的工作量占本人工作量的70％ 。
10篇代表性論文： 1. Vertical Pneumati Moving Bed Transport / Chem.Eng.Sci.
2. Micro-Visualization of Clusters in a FastFluidized Bed / Powder Technology,Circulating Fluidized Bed Technology III
3. Cluster Structure in a CirculatingFluidizedBed / PowderTechnology, Circulating Fluidized Bed Technology IV
4. Study on Magnetic Fluidization of Group C Powders / PowderTechnology
5. Fluidization of Fine Particles / Chem. Eng. Sci.
6. Estimation of Agglomerate Size forCohesive Particles During Fluidization / Powder Technology
7. Characteristics of Fast Fluidization withInternals / Fluidization VII
8. Fluidization of CaCO3 and Fe2O3 particles mixtures in transverse rotating magnetic field / Powder Technology
9. 非流態(tài)化氣固兩相流-理論及應(yīng)用 / 北京大學(xué)出版社
10. 氣固流態(tài)化的散式化 / 化學(xué)工業(yè)出版社
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