气固流化系统是一个典型的非线性非平衡系统,呈现出复杂的多尺度特性:如,局域空间颗粒浓度的非均匀分布和颗粒速度的非高斯分布、时空交替的介尺度结构以及床层整体随表观气速而变化的流域等。这些复杂特性与单个颗粒之间的非弹性碰撞和摩擦、气体与颗粒以及颗粒群之间的相互作用、气固两相湍流等因素紧密相关,是流化床模拟计算的核心难题,也是突破工业反应器放大、设计和优化的关键。为此,有必要从单颗粒层次的运动行为出发,对流化床的多尺度非平衡特性展开系统深入的研究。针对以上目标,本论文结合实验和计算方法对流化床中局域非平衡特性、介尺度结构特性以及表观气速对颗粒运动状态的影响等展开研究。本文主要内容和结果如下:1.应用高速摄像机拍摄床层中颗粒运动,通过颗粒跟踪测速法(PTV)和Voronoi划分方法得到单颗粒的速度和空隙率。统计鼓泡床和湍动床中颗粒速度概率密度分布、平均空隙率、颗粒平均速度、颗粒温度、颗粒湍动能等物理量,发现浓相和稀相中颗粒的瞬时颗粒速度概率密度分布接近高斯分布,各物理量尺度依赖性和各向异性较弱,呈现近局域平衡特性。而两相界面处颗粒速度概率密度分布严重偏离高斯分布,甚至会出现双峰分布,各固相宏观物理量尺度依赖性和各向异性较强。这些结果揭示了气固流化床中的局域非平衡性,表明尺度分离假设难以成立,因此传统的双流体模型和颗粒动理论难以对该体系进行准确描述。2.使用高解析度的实验数据对介尺度结构展开动力学分析。考察鼓泡床中气泡直径和气泡运动速度,发现本实验中气泡运动规律可以使用经典模型对其进行描述。根据颗粒Voronoi分布提出了一种判定团聚物的方法,对湍动床中的团聚物平均速度、平均颗粒温度以及团聚物的尺寸分布等时均特性进行分析,深入了解湍动床中团聚物的运动状态。同时对团聚物的动态变化过程进行细致考察,分析团聚物聚并和破碎过程中相应颗粒性质的变化,发现团聚物聚并过程可以使用扫雪机模型描述,在本实验中颗粒动能的损失和颗粒所占面积减少量都与t3/2成正比;而破碎过程中向上和向下运动颗粒动能增长趋势完全不同,表明该过程中颗粒受力作用复杂。3.通过对比实验中不同气速下时均统计结果,发现气速增加会导致时均颗粒脉动速度分布更加偏离高斯分布。同时,用于描述颗粒脉动的两个物理量——颗粒温度和颗粒湍动能显示出较强的尺度依赖性,二者的加和——颗粒总脉动能在长时间统计下显示出尺度无关性,有助于建立稳态模型。进一步分析颗粒总脉动应力,发现其在鼓泡床中作用很小,但是在湍动床中,其空间梯度分布引起固相在竖直方向受力十分明显,表明在高气速条件下的固相应力建模十分重要。4.应用计算流体力学-离散元法(CFD-DEM)对实验涉及的不同流域工况条件进行模拟计算。以颗粒平均浓度、平均速度和总脉动能作为对比数据,发现模拟计算可以部分再现鼓泡床的行为,但是湍动床模拟结果与实验差距较大,这印证了高气速下的流化床中局域非平衡性更强的实验结果。因此,未来的固固应力及气固曳力建模都应考虑颗粒运动的局域非平衡特性。综上所述,本论文对流化床中不同尺度的非平衡特性进行了深入的研究。从局部颗粒速度分布、固相宏观物理量的尺度依赖性以及各向异性等个方面揭示了流化床中的局域非平衡性;对床层中介尺度结构进行研究,提出了团聚物的判定方法,统计并分析了团聚物的时均和动态特性;通过考察表观气速对局域非平衡性的影响,进一步强调宏尺度条件对于流态化建模的重要性。这些结果有助于揭示流态化复杂多尺度特征背后的机制,从而为气固两相流物理建模以及流化床模拟计算、放大与设计提供基础。