密相流化床中介尺度流動結(jié)構(gòu)的流體力學(xué)特性研究

1、密相流化床中介尺度流動結(jié)構(gòu)的流體力學(xué)特性研究氣固流化床反應(yīng)器是一種在石油化工行業(yè)中被廣泛應(yīng)用的反應(yīng)器，具有結(jié)構(gòu)簡單、流化顆粒尺寸分布范圍廣、傳質(zhì)傳熱效率高等優(yōu)點(diǎn)，但同時也普遍存在相間接觸效率低下、傳遞受限或傳遞與反應(yīng)不匹配等問題。流化床內(nèi)氣體與固體顆粒間的流動結(jié)構(gòu)、相間接觸等對流化床反應(yīng)器的性能及產(chǎn)品的收率具有重要的影響，但目前還鮮有人展開研究，對氣固流化床反應(yīng)器，尤其是稠密氣固流化床反應(yīng)器內(nèi)復(fù)雜的介尺度流動結(jié)構(gòu)無法進(jìn)行科學(xué)定量的描述1。氣固兩相流是一種復(fù)雜的動態(tài)時空多尺度結(jié)構(gòu)，從單顆粒到宏觀流動都表現(xiàn)為非線性、非平衡的特性。如單個催化劑顆粒內(nèi)部孔道、催化劑表面等的流動，被界定為微尺度的流動，

2、在設(shè)備尺度的宏觀流動則被定義為宏尺度2。介尺度是介于微觀和宏觀之間的尺度，它的流體力學(xué)特性對傳質(zhì)、傳熱甚至流動等過程都有重要的影響。因此，實(shí)現(xiàn)介尺度結(jié)構(gòu)的識別與定量表征，并建立準(zhǔn)確的流體力學(xué)模型對其進(jìn)行預(yù)測具有重要的意義3。典型的介尺度結(jié)構(gòu)包括氣泡、顆粒聚團(tuán)。前人對于顆粒聚團(tuán)的研究往往都是在稀相空間、快速床和輸送床等稀疏氣固流中展開4-9，介尺度結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為含有少量顆粒的稀相氣體和分散的顆粒聚團(tuán)的共存形式10-11。對于像鼓泡床、湍流床這樣的稠密氣固流，則趨向于沿用經(jīng)典的兩相模型來描述。然而，經(jīng)典兩相理論12由于對氣泡和乳化相的描述存在一定的局限性，因此并不總是能夠準(zhǔn)確描述稠密氣固流中的介尺度流

3、動結(jié)構(gòu)13。稠密氣固流是典型的非線性、非平衡系統(tǒng)，為了獲得其內(nèi)部的瞬態(tài)流體力學(xué)行為，人們采用了激光多普勒測速儀(LDA)14、相位多普勒顆粒分析儀(PDPA)15、高速攝影16、激光成像17、光纖探針18-21等方法進(jìn)行測量。其中光纖探針法具有準(zhǔn)確性高、結(jié)果可靠、干擾小等優(yōu)點(diǎn),是目前研究快速床和提升管中顆粒聚團(tuán)動態(tài)演變規(guī)律方面應(yīng)用最廣泛的一種測量方法18,22，通過縮小光纖探針尖端的尺寸，可將其對流場的干擾減小到忽略不計(jì)19-20。但由于兩相流動的多流域性和非線性特征，氣泡和顆粒聚團(tuán)的閾值難以確定，大部分情況下只能用來計(jì)算各項(xiàng)流體力學(xué)性能參數(shù)的時均值，目前還難以從高度復(fù)雜、高度耦合的光纖信號中

4、獲得稠密氣固流中氣泡、顆粒聚團(tuán)和乳化相這三個介尺度流動的結(jié)構(gòu)。因此，本文在冷模實(shí)驗(yàn)裝置中測量多種顆粒的流體力學(xué)特性，以確定介尺度結(jié)構(gòu)的閾值，并基于統(tǒng)計(jì)矩一致法對復(fù)雜脈動光纖信號進(jìn)行解耦，對Geldart B類顆粒、B類與C類混合顆粒的稠密氣固流中介尺度流動行為進(jìn)行研究。1 實(shí)驗(yàn)材料和方法1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及流程本文所使用的氣固流化床反應(yīng)器冷模實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。流化床尺寸為300 mm7 mm，高為2900 mm，裝置的總高為5460 mm。裝置的氣體分布器、底座、底錐、旋風(fēng)分離器和過濾器部分由碳鋼制造，其他部分由有機(jī)玻璃制造。圖1圖1實(shí)驗(yàn)裝置流程圖1羅茨鼓風(fēng)機(jī); 2緩沖罐; 3氣體分配器; 4

5、轉(zhuǎn)子流量計(jì); 5氣體分布器; 6流化床; 7,8旋風(fēng)分離器; 9料腿; 10過濾器Fig.1The schematic drawing of the experiment process實(shí)驗(yàn)用空氣作為流化介質(zhì)，空氣經(jīng)過霧化噴淋器加濕后由羅茨鼓風(fēng)機(jī)通過緩沖罐、轉(zhuǎn)子流量計(jì)后將分成兩路，其中一路作為流化主風(fēng)進(jìn)入氣固流化床實(shí)驗(yàn)裝置中，另一路作為料腿松動風(fēng)。流化主風(fēng)由流化床底部的板式分布器均勻分配后進(jìn)入流化床將固體顆粒流化起來。通過流化床的氣體會將床層中的細(xì)顆粒由頂部的稀相空間夾帶出去，而后依次經(jīng)過升氣管、一級旋風(fēng)分離器和二級旋風(fēng)分離器。被夾帶的細(xì)顆粒大部分被旋風(fēng)分離器分離出來，并通過料腿返回到流化床中

6、。經(jīng)過二級分離后，氣體仍夾帶少量細(xì)顆粒進(jìn)入過濾器，凈化后的空氣排入大氣。過濾器反吹后的細(xì)顆粒經(jīng)過收集后再加到流化床內(nèi)，以保證床內(nèi)顆粒粒徑分布的穩(wěn)定23。1.2 實(shí)驗(yàn)介質(zhì)及操作條件本文實(shí)驗(yàn)中的固體顆粒為黃沙顆粒、黃沙與硅微粉按不同比例混合顆粒，其中黃沙顆粒為B類顆粒,硅微粉為C類顆粒。它們的物性參數(shù)見表1,混合顆粒物性參數(shù)見表2，粒度分布見圖2。實(shí)驗(yàn)中的氣體介質(zhì)為常溫空氣。操作氣速的變化區(qū)間為0.10.5 m/s，包括鼓泡床和湍動床兩個流域。流化床內(nèi)靜床層高度為800 mm。表1顆粒物理性質(zhì)Table 1Physical properties of particles顆粒種類平均粒徑/m堆積密度

7、/(kg/m3)顆粒密度/(kg/m3)黃沙38515872486硅微粉202649新窗口打開|下載CSV表2混合顆粒性質(zhì)Table 2Physical properties of mixed particles顆粒種類顆粒粒徑dp/m顆粒密度p/(kg/m3)起始流化 固含率黃沙38524860.67黃沙+硅微粉 (5%,質(zhì)量分?jǐn)?shù))36424950.60黃沙+硅微粉 (10%,質(zhì)量分?jǐn)?shù))34725030.55新窗口打開|下載CSV圖2圖2實(shí)驗(yàn)介質(zhì)粒徑分布Fig.2Distribution of particle size of materials1.3 分析測試儀器流化床內(nèi)局部顆粒濃度和速度

8、的測量使用的是中科院過程工程研究所研發(fā)的PV-6D型顆粒濃度、速度測量儀。目前常用的光纖探針中兩束光纖的間距很小，往往不足1 mm，由于氣泡與周圍乳化相之間并沒有清晰的界面，這樣小的間距無法準(zhǔn)確分辨出氣泡。因此本實(shí)驗(yàn)中將光纖束的間距適當(dāng)增大，以利于氣泡和聚團(tuán)的識別。光纖探針的尖端分為兩束光纖，其直徑僅為1.6 mm(含不銹鋼管)，兩束光纖探出探針主體的長度為44.1 mm，因此在測量區(qū)域僅有兩根距離較遠(yuǎn)且直徑僅為1.6 mm的光纖，這樣就大大縮短了光纖探針對流場的干擾。實(shí)驗(yàn)所用的是間距為3.88 mm、采樣頻率為20 kHz、采樣時間為6.556 s的光纖探針。在用光纖探針測量顆粒濃度前，需要

9、對其進(jìn)行標(biāo)定，確定光強(qiáng)信號對應(yīng)的電壓值與顆粒濃度之間的關(guān)系，標(biāo)定曲線公式如下：=0.0182V2+0.0878V+0.0909(Sand)(1)=0.0166V2+0.1022V+0.0637(Sand+5% Si)(2)=0.0157V2+0.1124V+0.0392(Sand+10 % Si)(3)在用光纖測量流化床反應(yīng)器內(nèi)部的局部固含率時，在反應(yīng)器內(nèi)部沿軸向共設(shè)置了4個測量截面，各個截面距流化床反應(yīng)器底部的氣體分布器的距離依次為h=112,312,512,712 mm。此外，每個軸向截面沿徑向均設(shè)置5個測量點(diǎn)，每個測量點(diǎn)的無量綱半徑r/R依次為0，0.25，0.5，0.75，0.98。2

10、 復(fù)雜光纖信號解耦方法的建立稠密氣固流中的介尺度結(jié)構(gòu)可以通過三結(jié)構(gòu)模型來表述：含有顆粒的氣泡、處于起始流化狀態(tài)的乳化相和顆粒聚團(tuán)。其中的乳化相代表的是除去氣泡和顆粒聚團(tuán)外的懸浮顆粒。顆粒聚團(tuán)的內(nèi)部處于未流化狀態(tài)，但作為一個聚團(tuán)和乳化相一同被流化。threshold的部分為氣泡相，thresholds,mf為乳化相，s,mf為聚團(tuán)相。2.1 閾值的確定對于一個包含N個數(shù)據(jù)的固含率時間序列，可直接統(tǒng)計(jì)計(jì)算出脈動信號的14階統(tǒng)計(jì)矩，分別為：平均固含率s、標(biāo)準(zhǔn)偏差、偏斜度S、峰度K，其計(jì)算方法如下：i,iN(4)s=1Ni=1Ni(5)=1N-1i=1Ni-s21/2(6)S=i=1Ni-s3N-13

11、(7)K=i=1Ni-s4N-14(8)Bi等24-25通過理論推導(dǎo)提出，對于稀密兩相完全分離的兩相流系統(tǒng)，脈動信號的這四個統(tǒng)計(jì)矩可通過如下方法計(jì)算：s=fdsd+1-fdsb(9)=sd-s2fd+sb-s21-fd(10)S=13sd-s3fd+sb-s31-fd(11)K=14sd-s4fd+sb-s41-fd(12)式(9)式(12)中包括密相（乳化相和顆粒聚團(tuán)）體積分?jǐn)?shù)fd、氣泡相平均固含率sb和密相平均固含率sd共3個未知數(shù)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)矩陣一致性原理，可以計(jì)算得到上述3個未知數(shù)，且得到的3個未知數(shù)不包含任何假設(shè)條件以及經(jīng)驗(yàn)值，因此是準(zhǔn)確的，能夠作為閾值選擇的依據(jù)。由于計(jì)算時有3個未知

12、量和4個方程式(9)式(12)，需通過試算正確選擇方程組進(jìn)行計(jì)算。采用式(9)式(11)整理得到包含偏斜度的式(13)式(15)，稱之為偏斜度法：f=121-S14+S2(13)sd=s+24+S2+S(14)sb=s-24+S2-S(15)同樣地，根據(jù)式(9)、式(10)、式(12)，可以整理得到包括峰度的式(16)式(18)，現(xiàn)稱之為峰度法：f=121K-13+K(16)sd=s+2K+3K-1(17)sb=s-2K+3K-1(18)Zhu等26提出當(dāng)S1.5或K4.5時，平均固含率s，標(biāo)準(zhǔn)偏差，偏斜度S的統(tǒng)計(jì)矩組合會得到最優(yōu)結(jié)果。對某一個固含率序列，通過求解式(9)式(12)可以得到密相

13、固含率sd，稀相固含率sb和密相體積分?jǐn)?shù)fd。同時，若選定一個閾值，也可以從概率密度分布(PDD)曲線統(tǒng)計(jì)得到三個關(guān)鍵參數(shù)(sd,sb,fd)。當(dāng)閾值選擇準(zhǔn)確時，這兩種方法得到的固含率結(jié)果是相等的，因此，可以通過遍歷法試算求得該閾值。具體方法為：首先預(yù)設(shè)一個較小的閾值（本文設(shè)置為0.1），從固含率時間序列中直接計(jì)算出密相固含率sd、稀相固含率sb和密相體積分?jǐn)?shù)fd3個參數(shù)，將計(jì)算結(jié)果與基于統(tǒng)計(jì)矩方法式(16)式(18)計(jì)算結(jié)果對比，如果統(tǒng)計(jì)結(jié)果滿足式(19)，則認(rèn)為得到了閾值的準(zhǔn)確值，否則將預(yù)設(shè)的閾值增加0.01，重復(fù)此過程直到滿足式(19)。sb-sb0sd-sd0fd-fd0(19)此過程

14、通過編寫MATLAB程序來完成，光纖信號解耦步驟如圖3所示。本文所采用的方法避免了對閾值的任意選取，并且給出了更準(zhǔn)確和可靠的兩相劃分方法。圖3圖3光纖信號解耦步驟Fig.3Steps of optical fiber signal decoupling圖4給出了黃沙顆粒和混合顆粒流化床中氣泡閾值沿徑向的分布。由于黃沙顆粒密度較大，難以流化，在低氣速時以及在流化床邊壁處固含率概率密度呈現(xiàn)單峰分布，此時不存在氣泡相閾值。此外，隨操作氣速增大，氣泡相閾值減小，且氣泡相閾值沿徑向呈增大的趨勢。從圖4(a)可以看出，純黃沙顆粒流化床中氣泡閾值均大于0.4，加入硅微粉后，如圖4(b)、(c)所示，氣泡閾值

15、明顯下降。圖4圖4不同操作氣速下氣泡閾值沿徑向分布（h=512 nm）Fig.4Radial distribution of the threshold of the bubble phase in various superficial gas velocities2.2 氣泡的識別與統(tǒng)計(jì)在確定閾值后，需要將氣泡相對應(yīng)的信號從原始信號中提取出來。如圖5所示，沿時間軸從光纖脈動信號里尋找氣泡峰，當(dāng)脈動信號值小于閾值時認(rèn)為該點(diǎn)A是氣泡峰的開始，然后從該點(diǎn)向后尋找，找到第一個等于閾值的點(diǎn)B，若該點(diǎn)后面連續(xù)20個點(diǎn)均大于閾值，則認(rèn)為點(diǎn)B是氣泡峰的終點(diǎn)，記錄該氣泡峰的序號x、起止時間Tx1和Tx2。利

16、用該方法從通道1和通道2的光纖信號中找出所有的氣泡峰并記錄下來。圖5圖5氣泡的識別Fig.5Bubble identification找到通道1和通道2中第x個氣泡峰的最小值位置Tx1min，Tx2min。統(tǒng)計(jì)通道1中氣泡峰最低點(diǎn)和氣泡起始點(diǎn)間數(shù)據(jù)點(diǎn)個數(shù)n1和氣泡峰最低點(diǎn)與氣泡峰結(jié)束點(diǎn)間數(shù)據(jù)點(diǎn)個數(shù)n2，在通道2中氣泡峰最低點(diǎn)兩側(cè)分別取n1和n2個數(shù)據(jù)點(diǎn)。將兩個通道得到的氣泡峰進(jìn)行比較。當(dāng)氣泡沿兩光纖探針束的方向通過光纖時，會分別產(chǎn)生兩路反射信號X(t)、Y(t)，它們的形狀相似，但在時間上有一定的延遲，它們的相關(guān)系數(shù)可以表示為：XY=X(t)Y(t)X2(t)Y2(t)(20)如果一對氣泡峰形

17、狀相似，即相關(guān)系數(shù)XY大于0.9，則認(rèn)為這兩個氣泡峰是同一個氣泡穿過探針尖端產(chǎn)生的。可以計(jì)算得到氣泡速度(ub)：ub=2l(t3-t1)+(t4-t2)(21)式中，l為探針尖端的間距，為3.88 mm。氣泡頻率(Frb)計(jì)算公式為：Frb=nbT(22)式中，T為采樣時間；nb為采樣時間內(nèi)的氣泡總數(shù)。氣泡持續(xù)時間(b)計(jì)算公式為：b=t2-t1(23)氣泡弦長(lb)計(jì)算公式為：lb=ubb(24)2.3 聚團(tuán)的識別與統(tǒng)計(jì)Cocco等27-28使用高速攝像機(jī)和內(nèi)窺鏡進(jìn)行拍攝，為密相流化床中聚團(tuán)的存在提供了直接證據(jù)，他們還提出，靜電力、毛細(xì)管力、范德華力等黏附力在顆粒團(tuán)聚過程中起著重要作用。

18、Liu等29發(fā)現(xiàn)流化床中乳化相固含率介于0.50.75之間。它表明密相由兩部分組成，即固含率大于s,mf較密的部分和固含率介于thresholds,mf之間的較稀的部分，如圖6所示。較稀的部分包括分散和懸浮的顆粒，氣泡頂部和尾渦；較密的部分為顆粒聚團(tuán)。圖6圖6顆粒聚團(tuán)識別示意圖Fig.6Schematic diagram of the identification of the agglomerate因此，根據(jù)Soong等30-31提出的稀相床中顆粒聚團(tuán)的判斷準(zhǔn)則，本文提出了密相流化床中顆粒聚團(tuán)的判斷準(zhǔn)則：（1）聚團(tuán)的固含率大于流化顆粒的起始流化固含率；（2）密相的固含率脈動幅值大于背景顆粒的

19、隨機(jī)脈動幅值；（3）在采集空間內(nèi)固含率有明顯增加?；谏鲜鰷?zhǔn)則，將顆粒聚團(tuán)的信號進(jìn)行解耦，顆粒聚團(tuán)的識別和判定方法與氣泡類似。如圖7所示，從通道1和通道2的脈動信號尋找代表顆粒聚團(tuán)的峰，當(dāng)脈動信號值大于起始流化固含率時認(rèn)為該點(diǎn)A是聚團(tuán)的開始，然后從該點(diǎn)向后尋找，找到第一個等于閾值的點(diǎn)B，若該點(diǎn)后面連續(xù)20個點(diǎn)均小于起始流化固含率，則認(rèn)為點(diǎn)B是聚團(tuán)的終點(diǎn)，記錄通道1的聚團(tuán)序號y、起止時間Ty1和Ty2。圖7圖7顆粒聚團(tuán)的識別Fig.7Particle clustering identification找到通道1和通道2中第y個聚團(tuán)峰的最大值位置Ty1max，Ty2max。統(tǒng)計(jì)通道1中聚團(tuán)峰最高點(diǎn)

20、和聚團(tuán)峰起始點(diǎn)間數(shù)據(jù)點(diǎn)個數(shù)m1和聚團(tuán)峰最高點(diǎn)與聚團(tuán)峰結(jié)束點(diǎn)間數(shù)據(jù)點(diǎn)個數(shù)m2，在通道2中聚團(tuán)峰最高點(diǎn)兩側(cè)分別取m1和m2個數(shù)據(jù)點(diǎn)。將兩個通道得到的聚團(tuán)峰進(jìn)行對比。當(dāng)聚團(tuán)沿兩光纖探針束的方向通過光纖時，會分別產(chǎn)生兩路反射信號X(t)、Y(t)，它們的形狀相似，但在時間上有一定的延遲，它們的相關(guān)系數(shù)可以表示為：XY=X(t)Y(t)X2(t)Y2(t)(25)對于同樣一個聚團(tuán)，其產(chǎn)生的波動信號應(yīng)該是相似的，通過大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，可以認(rèn)為XY0.9對應(yīng)為同一聚團(tuán)。配對聚團(tuán)持續(xù)時間為：ag=Ty2-Ty1(26)聚團(tuán)速度為：uag=dag(27)聚團(tuán)弦長為：lag=uagag(28)測量時，光纖并不總是

21、處于顆粒聚團(tuán)的中心位置處，因此需要通過數(shù)學(xué)方法將弦長分布轉(zhuǎn)換為直徑分布。如圖8所示，假設(shè)在探針附近出現(xiàn)的顆粒聚團(tuán)最大直徑是Rmax，探頭的測量范圍是以探頭為中心，Rma為半徑的圓。圖8圖8光纖探針測量顆粒聚團(tuán)示意圖Fig.8Schematic diagram of agglomerates measurement by probe探針在圓中測量的顆粒聚團(tuán)弦長的概率密度分布為：Pp(lag)=nlaglag+lag/lagNag(29)式中，nlaglag+lag為弦長介于laglag+lag之間的顆粒聚團(tuán)數(shù)；Nag為經(jīng)過探針的顆粒聚團(tuán)總數(shù)。聚團(tuán)直徑的概率密度分布定義為：Pc(dag)=ndag

22、dag+dag/dagNag(30)式中，ndagdag+dag為直徑介于dagdag+lag之間的聚團(tuán)數(shù)。概率密度的積分為0Pp(lag)dlag=0Pc(dag)ddag=1(31)圖9給出了求解聚團(tuán)弦長概率密度的示意圖?；诟怕拭芏群瘮?shù)的定義，弦長為lag的聚團(tuán)概率密度為：Pp(lag)=lagPc(dag)Pc(lag/dag)ddag0Pc(dag)ddag=lagPc(dag)Pc(lag/dag)ddag(32)式中，Pc(lag/dag)為直徑是dag且弦長是lag的聚團(tuán)概率密度分布。為獲得直徑概率密度，提出以下假設(shè)：（1）床中的聚團(tuán)為圓形；（2）聚團(tuán)的運(yùn)動方向垂直向上；（3）

23、聚團(tuán)的投影通過探針的概率相同。圖9圖9求解聚團(tuán)弦長概率密度的示意圖Fig.9Schematic diagram for solving the probability density of the agglomerate chord length直徑為dag且弦長為lag的聚團(tuán)概率為pclag/dagx(lag+lag)/dag=Pc(lag/dag)dlag=-2rR2dr(33)式中，pc為概率，式(33)可表示為：Pc(lag/dag)=2rR2drdlag=8rdag2drdlag(34)根據(jù)圓的方程：r2(dag/2)2+(lag/2)2(dag/2)2=1(35)對式(35)兩邊進(jìn)

24、行微分，并代入式(34)得到：Pc(lag/dag)=2lagdag2(36)將式(36)代入式(32)得到：Pp(lag)=lagPc(dag)2lagdag2ddag(37)式(37)的兩邊對lag求導(dǎo)：Pp(lag)=lag2Pc(dag)dag2ddag-Pc(dag)2lagdag2dag=lag(38)式(38)兩邊同時乘lag：lagPp(lag)=lag2lagdag2Pc(dag)ddag-Pc(dag)2lag2dag2dag=lag=Pp(lag)-2Pc(dag)(39)根據(jù)式(39)，直徑概率密度可由弦長概率密度求得：Pc(dag)=12Pp(lag)-lagPp(l

25、ag)(40)Jayaweera等32研究了聚團(tuán)在黏性流體中的行為，并提出聚團(tuán)的穩(wěn)定尺寸范圍為26個顆粒，這為聚團(tuán)尺寸提供了最小限制。因此，在本研究中，聚團(tuán)直徑下限為兩倍顆粒粒徑。3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論3.1 氣泡-乳化-聚團(tuán)三相相分率根據(jù)2.1節(jié)所述方法確定了黃沙及其混合顆粒的氣泡相閾值（圖4），其中黃沙顆粒床中氣泡閾值在0.430.59范圍內(nèi)變化，黃沙與5%混合顆粒流化床中氣泡閾值在0.310.59范圍內(nèi)變化，黃沙與10%混合顆粒流化床中氣泡閾值在0.400.54范圍內(nèi)變化。根據(jù)起始流化速度測量實(shí)驗(yàn)得到黃沙及其混合顆粒的閾值分別為0.67(Sand)，0.60(Sand+5%)，0.55(Sa

26、nd+10%)。根據(jù)建立的光纖信號解耦方法，按照固含率大小的不同，可將稠密氣固流的介尺度結(jié)構(gòu)分為三部分，即氣泡相(sthreshold)、乳化相(thresholdss,mf)和聚團(tuán)相(ss,mf)，如圖10所示。圖10圖10三相體積分?jǐn)?shù)沿徑向的變化（h=512 mm）Fig.10Volume fraction of three phases in radical directions（h=512 mm）圖10(a)和(b)對比了在黃沙顆粒流化床中不同表觀氣速下氣泡相和密相的體積分?jǐn)?shù)?？梢钥闯?，低氣速(ug=0.2 m/s)時密相的體積分?jǐn)?shù)在0.710.87之間變化，而氣泡相的體積分?jǐn)?shù)在0.1

27、30.30之間變化，表明此時密相主導(dǎo)流化床的流動。在高氣速 (ug=0.5 m/s)時，在r/R0.5的中心區(qū)域，氣泡相的體積分?jǐn)?shù)約為0.4。在r/R0.75的區(qū)域，氣泡相體積分?jǐn)?shù)減小。這表明當(dāng)表觀氣速達(dá)到0.5 m/s時，床層中心處氣泡相主導(dǎo)床內(nèi)的流動，邊壁處密相主導(dǎo)床內(nèi)的流動。圖10(c)和(d)給出了黃沙顆粒與5%硅微粉混合顆粒流化床中流動結(jié)構(gòu)的體積分?jǐn)?shù)變化規(guī)律?？梢钥闯觯谔砑蛹?xì)顆粒后，當(dāng)表觀氣速增大到0.5 m/s時，聚團(tuán)相的體積分?jǐn)?shù)急劇下降，這是因?yàn)殡S著湍流的增強(qiáng)，周圍流體對聚團(tuán)的剪切力也隨之增強(qiáng)，使聚團(tuán)更容易破裂，更多細(xì)顆粒進(jìn)入乳化相，乳化相分率顯著增大，改善了流化質(zhì)量。當(dāng)硅微粉

28、顆粒含量增加至10%，如圖10(e)和(f)所示，低表觀氣速下，與硅微粉含量為5%時相比，乳化相體積分?jǐn)?shù)減小。當(dāng)表觀氣速為0.5 m/s時，聚團(tuán)相、氣泡相體積分?jǐn)?shù)相較于硅微粉含量為5%時有所增大，乳化相體積分?jǐn)?shù)有所減小。這可能是由于細(xì)顆粒的量增大后，更易自身團(tuán)聚形成聚團(tuán)而不是與黃沙顆粒結(jié)合，因此對流化床流化質(zhì)量改善的作用減弱。由于硅微粉粒徑較小，分子間作用力更大，結(jié)合形成的聚團(tuán)更難以分裂，因此氣速增大至0.5 m/s后，聚團(tuán)相體積分?jǐn)?shù)減小趨勢不如硅微粉含量為5%時明顯。圖10表明在黃沙顆粒中加入少量(5%)細(xì)顆粒能夠顯著改善流化質(zhì)量，細(xì)顆粒添加量過多時(10%)，對流化質(zhì)量的改善將減弱。3.2

29、 氣泡的流體力學(xué)特性根據(jù)2.2節(jié)所述氣泡的識別和統(tǒng)計(jì)方法，在確定閾值后，可以將氣泡相對應(yīng)的信號從稀相信號中提取出來，進(jìn)行進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)分析。3.2.1 氣泡的上升速度圖11給出了氣泡上升速度隨氣速變化沿徑向的分布曲線。兩種顆粒的流化床中氣泡上升速度隨著表觀氣速的增加均呈現(xiàn)增加趨勢；氣泡上升速度沿徑向分布較均一，變化不大。與純黃沙顆粒流化床相比，加入硅微粉后，氣泡平均上升速度略有減小。這是因?yàn)闅馀莸纳仙俣炔粌H和直徑有關(guān)，還和周圍流體的黏度有關(guān)?；旌项w粒中的細(xì)粉容易形成聚團(tuán)，密相的整體黏度增加，所以黃沙與10%混合顆粒流化床中的氣泡速度更低。圖11圖11氣泡速度沿徑向的變化（h=512 mm）Fig

30、.11Radial distribution of bubble velocity（h=512 mm）3.2.2 氣泡的出現(xiàn)頻率由于氣泡在流化床中上升過程中會不斷長大并破裂，因此氣泡數(shù)量隨著操作條件和空間位置的變化而變化。圖12給出的氣泡頻率（Frb）的分布是由式（22）計(jì)算得到的，表示氣泡通過光纖探針尖端的頻率。如圖12(a)所示，對于黃沙顆粒，頻率隨著表觀氣速的增加而增加，當(dāng)流域由鼓泡床變?yōu)橥牧鞔玻╱g0.4 m/s）時，床層中心處（r/R0.5）趨勢變得顯著，這主要是因?yàn)榧觿×藲馀莸钠扑椤D12(b)給出了在混合顆粒床中氣泡頻率的變化規(guī)律，從圖中可以看出加入細(xì)顆粒氣泡頻率顯著減小，遠(yuǎn)小于

31、黃沙顆粒床中的氣泡頻率。圖12圖12氣泡頻率沿徑向的變化（h=512 mm）Fig.12Radial distribution of bubble frequency（h=512 mm）3.2.3 氣泡的尺寸圖13(a)給出了黃沙顆粒流化床中氣泡弦長沿徑向的變化曲線。在徑向上，弦長曲線變化平穩(wěn)，表明氣泡尺寸接近。加入硅微粉后，氣泡弦長增大，這可能是因?yàn)榧尤牍栉⒎酆?，密相黏度增大，氣泡的形狀發(fā)生改變，在垂直方向上更加細(xì)長，因此弦長增大。圖13圖13氣泡尺寸沿徑向的變化（h=512 mm）Fig.13Radial distribution of bubble size（h=512 mm）3.3 聚

32、團(tuán)的流體力學(xué)特性3.3.1 顆粒聚團(tuán)的速度圖14給出了不同徑向位置處黃沙混合顆粒流化床中聚團(tuán)的上升速度隨操作氣速變化的規(guī)律。加入5 %硅微粉后如圖14(a)所示，表觀氣速為0.10.3 m/s時，聚團(tuán)速度變化不大，0.4 m/s略有增加，0.5 m/s時明顯增加；加入10%硅微粉后如圖14(b)所示，隨氣速的增大聚團(tuán)速度變化不大。從整體來看，隨著細(xì)粉含量的增加，氣速的影響越來越弱。圖14圖14平均聚團(tuán)速度隨表觀氣速和徑向位置的變化（h=512 mm）Fig.14Radial distribution of velocity of particle agglomerates for variou

33、s superficial gas velocities（h=512 mm）3.3.2 顆粒聚團(tuán)的出現(xiàn)頻率圖15給出了兩種黃沙混合顆粒流化床中聚團(tuán)的出現(xiàn)頻率隨徑向變化的曲線。隨操作氣速的增大，兩種顆粒流化床中聚團(tuán)出現(xiàn)頻率均呈現(xiàn)增大的趨勢。這可能是因?yàn)闅馑僭龃?，加劇了顆粒的運(yùn)動，顆粒碰撞概率增大，更易團(tuán)聚形成顆粒聚團(tuán)。在黃沙與5%硅微粉混合顆粒流化床中，如圖15(a)所示，顆粒聚團(tuán)的出現(xiàn)頻率較小且徑向上分布非常均一。繼續(xù)加入硅微粉后，如圖15(b)所示，聚團(tuán)頻率有所增大，說明加入過多硅微粉會促進(jìn)聚團(tuán)的形成。圖15圖15平均聚團(tuán)頻率隨表觀氣速和徑向位置的變化（h=512 mm）Fig.15Radial distribution of frequency of particle agglomerates for various superficial gas velocities（h=512 mm）3.3.3 顆粒聚團(tuán)的尺寸圖16列出了顆粒聚團(tuán)的弦長統(tǒng)計(jì)結(jié)果。從圖中可以看出，在黃沙與5%混合顆粒流化