气固流化床中剧烈的气泡湍动及颗粒循环使其具有优异的混合性能以及传热、传质性能,在化学工程及相关领域具有广泛的应用。气泡、颗粒涡、颗粒聚团、喷液云区作为气相法聚烯烃流化床中典型的流动结构,决定了流化床反应器的流体力学特性、传热及传质特性。特别地,当有冷凝液引入流化床反应器时,液滴-颗粒间及液滴-气泡间相互作用会导致流体力学特性显著变化,反应器的传热行为变得更加复杂。因此,研究流化床反应器的特征流动结构对流体力学及传热特性的影响规律,对流化床反应器的设计及放大具有重要意义。本论文以气相法聚烯烃流化床反应器为研究对象,首先对二维流化床中单气泡及连续射流气泡行为进行CFD模拟,研究颗粒涡及静电对气泡特性、颗粒行为及传热的影响;再通过湿颗粒流化实验、连续喷液加热流化实验及CFD模拟,研究流化床中液体的扩散路径、蒸发行为及其对气泡特性、颗粒流型及传热的影响。主要研究工作和成果包括:1.通过将双流体模型与传热模型耦合,首次对单气泡上升过程中颗粒涡的生成及弥散过程进行定量表征。研究发现随着气泡上升,颗粒涡逐渐弥散至整个流化床,并驱动颗粒混合、导致气泡分裂、抑制气体穿流,使气体穿流量比Davidson模型计算值减少6.5%,不利于乳化相-气泡相之间的传热;由于颗粒涡对颗粒的富集作用,在颗粒涡内易产生热点,且局部传热系数较大的区域始终位于床层下方。进一步,将静电模型与双流体模型、传热模型耦合,发现颗粒带电导致气泡边界处受力情况改变、气泡直径减小、气泡顶部变尖、气泡速度增加,乳化相-气泡相间的气体穿流量比Davidson模型计算值减少13.5%;颗粒带电还使颗粒涡的弥散更强烈、对颗粒的富集作用增强,在颗粒涡内及流化床壁面附近更容易产生热点。2.在中心射流鼓泡流化床中,通过CFD模拟获得了连续射流气泡及静电对气体穿流量、颗粒运动轨迹及传热行为的影响规律。根据气泡分布将射流鼓泡流化床沿径向分为气泡相互作用区、过渡区及壁面区;根据“颗粒温度”分布将射流鼓泡流化床沿纵向分为气体喷射区、气泡生长区和自由空域。由于气泡-气泡、气泡-颗粒涡、颗粒涡-颗粒涡之间存在强相互作用,使气体穿流系数比Davidson模型计算值增加58.5%。当颗粒带电时,射流鼓泡流化床中颗粒分布不均匀、气泡运动更为无序、气泡形状更不规则、气泡直径及气泡数量显著减少;颗粒涡将夹带并富集更多的颗粒,导致壁面附近颗粒体积分数上升,使壁面处产生热点。在此基础上,通过全耦合的CFD-DEM模拟方法对颗粒运动轨迹进行研究,发现颗粒不带电时,气体喷射区内释放的颗粒被气泡夹带、抛射至自由空域后,将沿壁面回落、随主体颗粒循环,而在过渡区释放的颗粒将被颗粒涡卷吸,在床层内部循环;颗粒带电时,气体喷射区及过渡区释放的颗粒均可能被扬析并粘附于壁面。3.在湿颗粒流化实验中,通过对压力脉动信号的峰度和偏度分析,提出判断湿颗粒流型从湍流到层流的临界转变条件:流化状态异常时,峰度和偏度均会出现转折点,且峰度对流化状态的转变更为敏感。通过分析压力脉动信号的非相干频谱及相干频谱,发现当床层失流化时,流化床内仍可能存在小尺寸气泡或局部颗粒脉动;当非相干频谱的衰减指数为-5/3～-1时,流型为层流,颗粒脉动较弱、流化床内基本没有能量耗散;当衰减指数为-5/3～-3时,流型为湍流,流化床内将出现不均匀颗粒聚集体等结构。对湿颗粒进行受力分析,发现液桥力和曳力的相对大小决定了湿颗粒流化床的气泡直径及最小流化速度。4.在带有加热系统的喷液二维流化床中,创新性地使用可逆温感变色颗粒示踪技术,利用其在不同温度下的变色特性,结合PIV技术和DIA技术,实现对湿颗粒扩散行为的实验表征,揭示了喷液流速、喷嘴位置、加热温度对气泡特性、颗粒脉动特性、喷液区特性及传热的影响规律。研究发现,喷嘴附近会生成小尺寸颗粒聚团,对液体扩散有促进作用,壁面喷射对气泡生成的促进作用最强;顶部喷液大大削弱了气泡产生,会生成大尺寸聚团并沉降在气体分布板上方,不利于传热;与侧壁喷液相比,顶部喷液时喷液区面积增大40%。时均颗粒速度场分析结果表明,液体蒸发将产生更多颗粒涡但颗粒涡分布更加分散,削弱了主体颗粒循环。利用所建立的多区传热模型计算发现,液体在气泡中心喷射时,将在100 s左右达到热平衡状态;增加床高对层间颗粒交换量影响较小;液体在壁面喷射时,层间质量交换量较小,床层温差显著增大。5.建立喷液流化床CFD模型,考虑颗粒上液体覆膜、液体蒸发及滴液-颗粒碰撞等过程的影响,对喷液流化床中颗粒运动、气泡特性及传热特性进行研究。结果表明,对于单分散颗粒流化床,当液体水平喷射时,射流作用使流化床平均颗粒高度及气泡频率增大;当液体30°喷射时,射流剪切作用使流化床平均颗粒高度显著下降。喷嘴附近存在稠密液滴聚集区、喷液核心区及与其相邻的液体蒸发区;少量游离的液滴将在射流作用下被分散到主体流化床中。当液体30°喷射时,喷液核心区形状明显改变、喷嘴位置处传热系数明显增大,但喷嘴高度以上区域传热系数相比于干态流化床有所下降。对于双分散颗粒流化床,液体喷射使得细颗粒的分离程度降低、颗粒湍动程度显著增加、喷嘴附近形成大范围颗粒涡,使细颗粒在壁面处积聚。随着细颗粒比例增大,被液体包裹的颗粒数目及平均液膜厚度增加,颗粒-气体间的热传递被削弱,表明喷液不利于细颗粒的传热。