快速流化床(FFB)由于具有良好的气固接触、高效的传热传质和化学反应等优点,已被广泛地应用于能源、化工、冶金等领域。快速流化床中气固流动的一个典型特征是颗粒在流动的过程中发生聚集形成团聚物,因此气固流动属于各向异性的不均匀流动。目前,对颗粒团聚行为及其特征认识不足,团聚物形成和发展机制尚不明确,使得以快速流化床为代表的气固流动和化学反应过程缺少必要的理论支持。因此,本文采用高速摄像和光纤探头的测量方法在已构建的快速流化床上开展试验,分别研究了 Geldart A类和B类颗粒在提升管内的团聚物特性。同时,基于MP-PIC算法,分别对二维和三维快速流化床内颗粒团聚行为进行数值模拟,并将模拟结果与试验数据进行对比。主要内容及结论如下:建立了拟二维快速流化床气固流动可视化试验装置,在较宽的操作范围内(Ug=3-7.5m/s,Gs=5-392kg/m2s),研究了玻璃珠和FCC颗粒在提升管内的团聚行为。采用高速摄像技术对提升管内颗粒团聚现象进行图像记录,并基于图像处理技术,采用K-means聚类算法实现团聚物的自动识别。结果表明,该算法对复杂气固两相流中的团聚物及其内部结构具有良好的识别效果。同时,基于图像处理发现团聚物内部存在显著的浓度梯度,即一个典型的团聚物由结构稳定且浓度致密的团聚核心和包裹在其周围的结构较为松散的团聚云组成。基于MATLAB软件平台,采用自编程序对图像信号进行分析获得了团聚物浓度、尺寸(水平/轴向尺寸)、结构(宽长比)和面积比等团聚物特征参数。研究了操作条件、提升管空间位置、物料属性等对颗粒团聚特性的影响。结果表明:团聚物内部的核心区具有最高的颗粒浓度,团聚物浓度显著高于该区域的时均颗粒浓度,且团聚物和团聚核浓度随操作条件的变化趋势与时均颗粒浓度相同,即随着固体通量的增加或表观气速的降低而增加。建立了团聚物浓度与时均颗粒浓度之间的关系,且该关系几乎不受物料属性的影响。提升管内团聚物的宽长比的时均值始终小于1,表明提升管内团聚物以竖直尺寸大于水平尺寸的长条状占优,且随着表观气速的降低和固体通量的增加,团聚物形状的不规则性加剧。团聚物尺寸变化范围较大,小到几毫米,大到上百毫米,且小尺寸团聚物中所含颗粒的质量占总固相质量的比例超过10%,因此小尺寸团聚物对气固流动的影响不可忽略。团聚物面积比随表观气速的增加和固体通量的降低而降低,且在低固体通量下团聚核的面积比为零,表明此时团聚核心消失,团聚物仅由松散的团聚云组成。采用透射式光纤测量方法,获得提升管三个不同高度上不同水平位置的局部颗粒浓度脉动信号,并基于阈值法从脉动信号中识别出团聚物,获得了团聚物浓度、出现频率、存在时间等统计学特征。研究了操作条件、提升管空间位置对团聚物统计学特性的影响,并将光纤测量结果与高速摄像结果进行比较。结果表明:在定性上,这两种测量方法获得的时均颗粒浓度的变化趋势是一致的;在定量上,当床内颗粒浓度较低时,光纤结果与高速摄像结果很接近;颗粒浓度较高时,与高速摄像相比,光纤测量结果偏高。沿水平方向,从中心区域至边壁区域,团聚物出现频率逐渐减小,同时团聚物平均存在时间逐渐增大。这是因为边壁区域由于壁面效应,大多是高浓度、大尺寸团聚物,中心区域气速高、颗粒浓度低,难以形成大尺寸的团聚物。基于MP-PIC算法,分别建立了二维和三维快速流化床数理模型,采用EMMS曳力模型对FCC颗粒在提升管中的流动进行模拟。研究发现,提升管内气固流动呈典型的环-核流动结构,且颗粒在提升管内聚集形成团聚物,表明采用EMMS曳力模型可以较好地模拟快速流化床内的非均匀流动结构。数值模拟与试验结果比较表明:在相同工况下,由于壁面效应,二维提升管中的时均颗粒浓度明显高于三维提升管。随着提升管高度的升高,团聚物平均存在时间逐渐减小,计算结果与光纤试验值相比偏低,这是由于模拟计算入口条件与试验入口条件有一定差异;相反在提升管中部,入口与出口结构的影响较小,模拟值与试验值较接近。