气固流化床圆柱颗粒的多尺度运动机制研究
发布时间：2020-09-22 17:07
随着固体废弃物导致的环境和社会问题日益严峻,生物质和可燃固体废弃物(以下称可燃固废)的资源化利用逐渐受到人们的重视。使用流化床对生物质和可燃固废进行热解、燃烧和气化等热化学处理可以实现废弃物减量化的同时提供热/电等能源,因此成为资源化利用的常见手段。生物质和可燃固废多以圆柱颗粒形式与流化介质在流化床中共同流化并发生化学反应,因此是一个异重/异形多组分颗粒共流化过程,具有复杂的多尺度流动结构,易发生温度和产物不均从而影响处理的连续性和可靠性。这些问题必须依靠基于多尺度流动理论的优化方法才能够解决,但是现有研究大多数关注于圆柱颗粒共流化过程的宏观设备尺度规律,研究结果泛用性和推广性不强。对于深层次的介观尺度和颗粒尺度机理认识不足,对于尺度间作用的耦合和传递机制研究也不完善,还远远不能满足工业应用的需求。另一方面,测量手段的不足也制约了对于圆柱颗粒多尺度气固流动特性的研究,特别是稠密气固流动状态下颗粒尺度运动细节的测量还缺乏较为可靠的方法。本文构建了基于X光的圆柱颗粒稠密气固流动测量系统和方法,并在此基础上探索了圆柱颗粒的多尺度气固流动规律,建立具有普适性的跨尺度关键参数机理模型。主要内容及结论如下:分别构建了单视/双视X光透视成像软硬件系统,并在这两套系统的基础之上实现了X光流化床空隙率测量方法、单视X光颗粒示踪测量方法、双视X光颗粒示踪测量方法以及双视X光气泡参数测量方法,对以上方法的关键技术和误差评估等方面进行了系统性研究。成功测量了稠密气固流动条件下圆柱颗粒的三维位置、速度和姿态角度,以及气泡尺寸和速度等以往技术难以获得的颗粒尺度与介观尺度运动参数。在颗粒尺度方面发现了颗粒的自转现象并阐述了其发生机理;发现了圆柱颗粒位置分布、速度和姿态角度等随颗粒形状、质量分数和气速等宏观操作参数的变化规律,为圆柱颗粒在共流化过程中的精准运动调控奠定基础;在介观尺度方面,探讨了圆柱颗粒性质和操作参数对于气泡形态和运动的影响规律,揭示了圆柱颗粒对于气泡的作用机理;在设备尺度方面,建立了适用于更宽工况范围的流型划分方式,发现了不同的流型转变途径及其变化规律,并绘制了圆柱颗粒在共流化过程中的流动相图。发现了两种不稳定流化模式并阐述了其发生机理。提出了理想均匀颗粒群与圆柱颗粒间的介观尺度一维相互作用机理模型,成功采用该模型解释了不稳定流化、无法流化等设备尺度流化现象的产生机制,并在该模型的基础上提出了部分流化(P)流型下圆柱颗粒起始(终止)流化速度的关联式。成功实现对气泡和圆柱颗粒间相互作用过程的直接测量以及三维重构,发现了颗粒性质和操作参数对于气泡-圆柱颗粒调控作用的影响规律;阐明了圆柱颗粒多种运动模式的产生机制,推动了对于圆柱颗粒多尺度气固流动的机理性认识。
【学位单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TK229.66;TK6
【部分图文】：
东南大学博士学位论文测量系统，实现 X 光透视成像和 X 光颗粒示踪（XPTV）等测量方法，完成设备尺度、介观尺度和颗粒尺度参数的无扰测量。第三章开展流化床圆柱颗粒的颗粒尺度运动规律研究，着重探索颗粒位置、速度和姿态角度等颗粒尺度运动规律。第四章开展流化床圆柱颗粒的介观尺度运动规律研究，重点探讨气泡的形成、发展和运动机理，建立颗粒群的介观尺度动力学模型。第五章开展流化床圆柱颗粒的设备尺度运动规律研究，揭示操作参数和颗粒性质对床层压降、最小流化速度和流型转变等设备尺度规律的影响。第六章在第三章至第五章所获规律的基础上对流化床圆柱颗粒的多尺度运动规律开展联合机理分析，力图揭示尺度间作用的深层机制，提高对圆柱颗粒稠密气固系统多尺度运动机理的认知和研究水平。
第二章 基于 X 光的稠密气固流动测量方法和系统研究使其内部两级间形成强电场。X 光管负极一端装有独立供电的灯丝（不与高压电负极相连），正极装有与正极相连的金属靶。X 光管工作时，灯丝首先会被通电加热，高温使灯丝金属材料电子逸出并在灯丝表面形成自由电子云，自由电子云在管内电场力的作用下加速向正极金属靶运动并撞击金属靶发生轫致辐射激发出 X 光。
其中 h 是普朗克常量，v 为 X 光频率，U 为管内两端电势差（即管电压，单位 kV），q为检验电荷大小，式（2.5）中检验电荷为电子，所带电荷量即为元电荷 e。实际上电子与金属原子之间的相互作用复杂电子能量不能完全转化为 X 光能量，因此 X 光管发射的 X 光能量并不均一而是呈现一定的分布；X 光激发的频度则与 X 光管灯丝的功率呈正相关。这是由于 X 光管灯丝的功率越高温度就越高，逸出的电子数量就越多，X 光的激发就越频繁。电子由 X 光管负极向正极运动的过程中会形成电流，即 X 光管电流。由前面的讨论可知管电流越高说明管内电子数量越多，所以在管电压保持一定的前提下 X 光管电流可以作为 X 光强度 I 的表征。本系统 X 光源采用的是金属封装油浸绝缘水冷式 X 光管，金属靶材料为钨，金属靶尺寸 0.8mm×0.8mm，靶面倾角 25°，发射锥角 9°。最高管电压为 70kV，灯丝最高电压 4.0V，灯丝最大电流 3.5A，最高管电流为 2.0mA，由式（2.5）可知本实验系统理论上可获得的最高 X 光能量为 70keV。X 光管在工作时 90%以上的能量都以热量的形式耗散出去，特别是阳极金属靶上产生的高温会使金属靶材料蒸发导致寿命降低。因此本系统的 X 光源还配备有循环水冷装置，防止 X 光源因超温损坏。
本文编号：2824684
【学位单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TK229.66;TK6
【部分图文】：
东南大学博士学位论文测量系统，实现 X 光透视成像和 X 光颗粒示踪（XPTV）等测量方法，完成设备尺度、介观尺度和颗粒尺度参数的无扰测量。第三章开展流化床圆柱颗粒的颗粒尺度运动规律研究，着重探索颗粒位置、速度和姿态角度等颗粒尺度运动规律。第四章开展流化床圆柱颗粒的介观尺度运动规律研究，重点探讨气泡的形成、发展和运动机理，建立颗粒群的介观尺度动力学模型。第五章开展流化床圆柱颗粒的设备尺度运动规律研究，揭示操作参数和颗粒性质对床层压降、最小流化速度和流型转变等设备尺度规律的影响。第六章在第三章至第五章所获规律的基础上对流化床圆柱颗粒的多尺度运动规律开展联合机理分析，力图揭示尺度间作用的深层机制，提高对圆柱颗粒稠密气固系统多尺度运动机理的认知和研究水平。
第二章 基于 X 光的稠密气固流动测量方法和系统研究使其内部两级间形成强电场。X 光管负极一端装有独立供电的灯丝（不与高压电负极相连），正极装有与正极相连的金属靶。X 光管工作时，灯丝首先会被通电加热，高温使灯丝金属材料电子逸出并在灯丝表面形成自由电子云，自由电子云在管内电场力的作用下加速向正极金属靶运动并撞击金属靶发生轫致辐射激发出 X 光。
其中 h 是普朗克常量，v 为 X 光频率，U 为管内两端电势差（即管电压，单位 kV），q为检验电荷大小，式（2.5）中检验电荷为电子，所带电荷量即为元电荷 e。实际上电子与金属原子之间的相互作用复杂电子能量不能完全转化为 X 光能量，因此 X 光管发射的 X 光能量并不均一而是呈现一定的分布；X 光激发的频度则与 X 光管灯丝的功率呈正相关。这是由于 X 光管灯丝的功率越高温度就越高，逸出的电子数量就越多，X 光的激发就越频繁。电子由 X 光管负极向正极运动的过程中会形成电流，即 X 光管电流。由前面的讨论可知管电流越高说明管内电子数量越多，所以在管电压保持一定的前提下 X 光管电流可以作为 X 光强度 I 的表征。本系统 X 光源采用的是金属封装油浸绝缘水冷式 X 光管，金属靶材料为钨，金属靶尺寸 0.8mm×0.8mm，靶面倾角 25°，发射锥角 9°。最高管电压为 70kV，灯丝最高电压 4.0V，灯丝最大电流 3.5A，最高管电流为 2.0mA，由式（2.5）可知本实验系统理论上可获得的最高 X 光能量为 70keV。X 光管在工作时 90%以上的能量都以热量的形式耗散出去，特别是阳极金属靶上产生的高温会使金属靶材料蒸发导致寿命降低。因此本系统的 X 光源还配备有循环水冷装置，防止 X 光源因超温损坏。
本文编号：2824684
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