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項目名稱： 工業多相流結構與行為的定量預測理論和優化調控方法
推薦單位： 中國科學院
項目簡介： 本項目屬工程技術科學領域。
氣固移動床與流化床在化工、冶金、能源等工業中廣泛應用，但仍有一些瓶頸問題亟待解決。如何防止移動床中經常發生的串氣、節涌及架拱，使其操作保持穩定、安全、可控；如何抑制氣固流化床中存在的氣泡和聚團，實現氣固接觸良好的均勻流態化，以提高傳熱、傳質速率和生產能力，具有重要的理論和實用意義，是該領域的前沿課題。從1982年至今，針對上述問題進行了系統的研究，取得了多項創新性研究成果：
（1）將散料力學與多相流理論相結合，建立了新的氣固移動床動力學理論，可定量預測和調控移動床中氣固流率、孔口流率、架拱、V型閥排料、L型閥排料、料腿的料封能力等各種操作狀態，使這一領域的研究與實踐從半經驗上升至理論。據此發明的V型排料閥已被國內外采用，相關成果獲中國科學院自然科學二等獎。
（2）研制了流化床聚團測試系統，首次拍攝到快速流化床中聚團相與分散相兩相結構，澄清了學術界關于快速床中是否存在聚團的疑問，進而發現了聚團的形成與運動規律，引起國內外極大關注，相關的3篇論文被他人引用130次。
（3）系統地建立了顆粒設計、流體設計、外力場設計以及床型與內構件設計等方法，對氣固兩相流的結構和行為進行優化調控，使難于流態化的粘性及超細顆粒實現了均勻流態化，并成功應用于上海焦化廠與攀鋼的工業中試裝置。相關成果獲中國科學院自然科學一等獎。
（4）建立了一系列評價流化質量的方法與指標。首次采用光纖探頭測量多相流中顆粒濃度，研發的光纖濃度測試儀已為國內外廣泛應用；最先采用光纖探頭自動跟蹤床層料面，研發的光纖床層塌落儀受到國內外專家好評，獲中國科學院科技成果二等獎。
本研究共發表論文150 余篇（SCI收錄34篇，EI收錄71篇），英文專著6章，中文專著2部，獲發明專利5項，實用新型專利10項，鑒定成果6項。論著被他人引用702次，其中SCI期刊他人引用418次。10篇代表性論著被他人引用270次，其中SCI期刊他人引用146次。
主要發現點： 3．主要發現點：
（1）采用自制的光導纖維微觀攝像系統，在國內外首次拍攝到快速流化床中顆粒聚團及聚團相與分散相兩相結構的照片，澄請了國內外學術界關于快速床中是否存在聚團的疑問，進而觀測和發現了聚團的形成和運動規律，得到聚團尺寸主要與顆粒濃度相關的重要結論。（工程流體力學，代表性論著2、3、11）
（2）將散料力學與多相流理論相結合，建立了氣固移動床動力學理論，并得到如下的拓展與應用：
提出了傾斜移動床產生附加重力壁摩擦力的概念，建立了傾斜度與空隙率的理論關系式，從而將該理論拓展到傾斜系統。
繪制出氣固移動床相圖，可定量表示可能存在的13種操作模式。由相圖發現并經實驗證實存在理想料封狀態。
發明了臨界移動床輸送、V型排料閥、抗壓穩流加料器等多項專利技術。
建立了移動床氣固流動、孔口流動、架拱、V型排料閥、L型排料閥、氣力移動床輸送的動力學模型。
(工程流體力學、顆粒學，代表性論著1、9、16，17）
（3）通過實驗，發現并建立了如下納微顆粒聚團的均勻流態化方法：
發現納微顆粒形成低密度小尺寸聚團時，可實現均勻流態化；添加適當組分可降低原始顆粒粘性，形成低密度小尺寸聚團，實現均勻流態化。顆粒或聚團的當量比表面積是決定因素。
發現提高氣體壓力，直至超臨界狀態，隨著氣體密度的提高，氣固流態化可由不均勻向均勻轉化。
發現在外加軸向恒定或橫向旋轉磁場作用下，加入納微顆粒流化床中的鐵磁性顆�？尚纬纱怪被蛩阶孕�"針狀物"，這些"針狀物"可有效破碎氣泡與聚團，實現均勻流態化。
發現在快速床中加入環形內構件可驅使顆粒均勻分布；在納微顆粒流化床加入多孔斜片擋板可有效破壞節涌、氣泡和聚團，實現均勻流態化；提升管中具有懸浮粗顆粒的高氣速納微顆粒循環流化床的聚團尺寸小且無氣泡；V型閥－錐形流態化料腿可避免堵塞，實現納微顆粒聚團的穩定循環。
（工程流體力學、顆粒學、化工流變學，代表性論著4、5、6、7、8、10、14、18）
（4）在國內外首先采用光纖探頭測量多相流中的顆粒濃度，已被國內外廣泛采用；研制成功光纖跟蹤料面床層塌落儀、多功能流態化數據采集系統，用以評價流態化質量；提出一系列評價流化質量的指標。
（顆粒學、化工流變學，代表性論著10、12，13、14、15）
（5）首次提出聚團準數，用以評價納微顆粒的聚團能力和流化性能，建立了聚團碰撞力平衡模型，可較準確預測流態化聚團的平衡尺寸。（顆粒學、工程流體力學，代表性論著6、10、18）
主要完成人： 1. 李洪鐘
(1) 將散料力學理論與多相流理論相結合，建立了氣固移動床動力學理論，并將該理論進行了實驗驗證。（發現點2）
(2) 為了實現氣固流態化的均勻化，提出顆粒設計和流體設計（內因）、外力場設計和床型及內構件設計（外因）的總體研究思路，進而領導項目組成員與研究生進行了系統研究，獲得滿意結果。（發現點3）
(3) 用自制微觀攝像探頭成功攝取到快速流化床內的瞬態聚團照片，證實了聚團的存在，消除了國內外學術界的疑問。論文發表后，引起廣泛關注，被大量引用。（發現點1）
(4) 提出多功能流態化質量評價系統的構思，并與同事合作研制成功，獲發明專利。（發現點4）
本人在該項目工作量占本人工作量的70％。
2. 郭慕孫
(1) 提出臨界移動床輸送和V型閥移動床排料的研究課題；提出抑制氣固系統中的氣泡與聚團、實現氣固流態化散式化的研究課題。（發現點2、3）
(2) 提出快速流化床中存在顆粒聚團相和分散相兩相結構，建立了模型，指導研究人員用自行研制的設備在快速床中拍攝到聚團相與分散相的照片。相關論文得到國內外學術界的引用。（發現點1）
(3) 指導博士研究生進行臨界移動床輸送、V型排料閥、顆粒與添加組分設計、細顆粒流態化、超臨界流體流態化、旋轉磁場流態化的研究，發表的論文得到國內外學術界好評。（發現點2、3）
(4) 指導光纖跟蹤床層塌落儀和多功能流態化數據采集系統的研制工作。（發現點4）
本人在該項目中的工作量占本人工作量60％。
3. 朱慶山
(1) 對超細與粘性顆粒的磁場流態化進行了系統研究。發現在軸向均勻磁場作用下，加入流化床中的鐵磁性顆粒沿磁力線方向形成一定長度的"鏈狀物"，這些"鏈狀物"，可有效破碎氣泡、溝流與聚團，改善超細與粘性顆粒流化質量。提出用于判斷鐵磁性顆粒在磁場流化床中是否發生凝聚的凝聚準數。（發現點3）
(2) 采用雙光纖探頭測量系統，測定了快速流化床中聚團的大小、速度及其在床中的軸、徑向分布，發現聚團尺度呈單峰分布；聚團的運動方向時上時下，在床下段向上與向下運動幾率相同，在床上段多數聚團向上運動，邊壁區域多數聚團向下運動，為快速流化床數學模型的建立提供了依據。（發現點1）
本人在該項目中的工作量占本人工作量的60％。
4. 呂雪松
(1) 對超細與粘性顆粒在橫向旋轉磁場中的流態化行為進行了系統研究，發現在橫向旋轉磁場作用下，加入流化床中的鐵磁性顆粒形成許多做自旋運動的鏈狀物，如同無數微攪拌漿一般，可有效破碎氣泡、溝流與聚團，改善流態化質量。（發現點3）
(2)研究了內構件對超細及粘性顆粒流化行為的影響。發現水平擋板型內構件，尤其是孔漿式內構件可有效破壞氣泡、節涌與聚團，改善流化質量。還將該成果成功地用于上海焦化廠超細炭黑臭氧氧化制特種炭黑擋板流化床反應器的設計，生產出高品質的特種炭黑。（發現點3）
(3)提出采用壓力波動信號的小波分析法確定流化床中的氣泡尺寸和頻率。（發現點4）
本人在該項目中的工作量占本人工作量的70％。
5. 周濤
(1)提出了流態化聚團準數，用來評價納微顆粒的聚團能力與流態化性能。建立了聚團碰撞力平衡模型，可較準確地預測流態化床中納微顆粒聚團的平衡尺寸。（發現點5）
(2)發現添加組分可降低原始顆粒的粘度，從而改善納微顆粒流態化質量。建立了預測雙組分混合物粘度的計算模型以及由流態化準數確定最佳添加量的方法。（發現點3）
本人做為博士研究生參加本項目，在該項目中的工作量占本人工作量的70％ 。
10篇代表性論文： 1. Vertical Pneumati Moving Bed Transport / Chem.Eng.Sci.
2. Micro-Visualization of Clusters in a FastFluidized Bed / Powder Technology,Circulating Fluidized Bed Technology III
3. Cluster Structure in a CirculatingFluidizedBed / PowderTechnology, Circulating Fluidized Bed Technology IV
4. Study on Magnetic Fluidization of Group C Powders / PowderTechnology
5. Fluidization of Fine Particles / Chem. Eng. Sci.
6. Estimation of Agglomerate Size forCohesive Particles During Fluidization / Powder Technology
7. Characteristics of Fast Fluidization withInternals / Fluidization VII
8. Fluidization of CaCO3 and Fe2O3 particles mixtures in transverse rotating magnetic field / Powder Technology
9. 非流態化氣固兩相流-理論及應用 / 北京大學出版社
10. 氣固流態化的散式化 / 化學工業出版社
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