（化学工程专业论文）气液固循环流化床自组织结构可视化研究.pdf

气液固循环流化床自组织结构可视化研究 v i s u a li n v e s t i g a t i o n so ns e l f - o r g a n i z a t i o n s t r u c t u r ei ng a s - - l i q u i d - s o l i dc i r c u l a t i n g f l u i d i z e db e d s ( 国家自然科学基金项目，n o 2 0 5 7 6 0 9 1 ) 学科专业：化学工程 研究生：刘建华 指导教师：刘明言教授 天津大学化工学院 2 0 0 8 年6 月 摘要 自组织现象是指自然界中自发形成的宏观时空有序结构现象，是十分普遍的 自然和社会现象。自然界中典型的自组织现象有：b 6n a r d 流体的对流花纹、 b e l o u s o v z h a b o t i n s k y 化学振荡花纹与化学波、激光器中的自激振荡等。流态化 系统也常出现自组织流动现象，流化的固体颗粒自发地以聚团形式有规律运动， 气泡及其尾涡做螺旋式上升运动等。对气液固循环流化床( g a s l i q u i d s o l i d c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e d ，g l s c f b ) 体系内的自组织流动结构，尤其是颗粒团聚 行为以及气泡与颗粒混合团聚行为等开展研究，可以增加对系统的基础理解，并 为改善其传质、传热性能，开发高效流化床反应器提供理论依据，从而具有重要 的理论意义和实践价值。但国内外这方面的报道较匮乏。 本文设计和建立了一套气一液固循环流化床装置，通过搭建c m o s 高速摄像 测试系统，对g l s c f b 上行床及下行床内的自组织团聚行为进行了较为系统的 实验研究。分别以成颗粒团聚状态颗粒数和成混合团聚状态颗粒数占总颗粒数的 比率以及成混合团聚状态气泡数占总气泡数的比率等几个物理量为目标函数，考 察了操作条件、流体物性和颗粒物性等对g l s c f b 内团聚行为的影响，得到了 一些结果。在g l s c f b 内存在的颗粒团聚体以二、三重颗粒团居多，混合团聚 体一般以一个气泡夹带二至四个颗粒所组成的混合团聚体居多。在本实验研究操 作条件范围内，颗粒团聚体的平均生命周期维持在0 0 7s 左右，而混合团聚体的 平均生命周期受外界影响较大，变化范围为0 0 2 - 4 ) 0 7s 。g l s c f b 内的自组织团 聚行为与操作条件、物性和流体力学方面存在密切联系。其中对团聚行为总体上 起减缓作用的因素有主水流的增大、颗粒直径和颗粒密度的增大；而对团聚行为 总体上起增强作用的因素是辅助水流的增大、液体黏度的增大。分形维数可以从 几何角度描述g l s c f b 内的自组织团聚行为，团聚行为的增强可导致分形维数 的降低。在分形维数、相含率和团聚行为三者中知道其中两者的变化可判断第三 者的变化。 关键词：气液固三相循环流化床；自组织；团聚；高速摄像；分形维数 a b s t r a c t s e l f - o r g a n i z a t i o n ，am a c r os p a c e t i m eo r d e r l ys t r u c t u r ef o r m e ds p o n t a n e o u s l y ，i sa t y p eo fg e n e r a lp h e n o m e n o ni nt h en a t u r ea n ds o c i e t y ，s u c ha sc o n v e c t i v ep a t t e mo f b n a r df l u i d c h e m i c a lo s c i l l a t i o na n dc h e m i c a lw a v e so fb e l o u s o v z h a b o t i n s k y , s e l f - e x c i t e do s c i l l a t i o no fl a s e r s e l f - o r g a n i z a t i o np h e n o m e n aa r ea l s ou s u a l l yf o u n d i nf l u i d i z a t i o ns y s t e m ，f o re x a m p l e ，m o v e m e n to ff l u i d i z e ds o l i dp a r t i c l eg r o u p s ， s p i r a lt y p ea s c e n d i n gm o t i o no fb u b b l e sa n dw a k e s a sf o r t h es e l f - o r g a n i z a t i o n s t r u c t u r eo fg a s - l i q u i d s o l i dc i r c u l a t i n gf u i d i z e d b e d ( g l s c f b ) s y s t e m t h e i n v e s t i g a t i o no nt h ep a r t i c l ec l u s t e r i n gb e h a v i o ra n dm u l t i p l e xc l u s t e r i n gb e h a v i o ro f b u b b l e sa n dp a r t i c l e sc a l l d e e p e nt h ef u n d a m e n t a lu n d e r s t a n d i n go ft h es y s t e m ， i m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fm a s st r a n s f e ra n dh e a tt r a n s f e r , a n dp r o v i d et h e o r e t i c a l b a s i sf o r t h ed e v e l o p m e n to fh i 【曲e f f i c i e n tf l u i d i z e db e dr e a c t o r t h e r e f o r e t h e i n v e s t i g a t i o n so ns e l f - o r g a n i z a t i o nb e h a v i o rh a v et h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n di n d u s t r y a p p l i c a t i o nv a l u e b u tt h ei n v e s t i g a t i o no fs e l f - o r g a n i z a t i o np h e n o m e n o no ng l s c f b w a ss h o r t a g ei nt h eo p e nl i t e r a t u r e ag a s - - l i q u i d - - s o l i d c i r c u l a t i n g f l u i d i z e db e dw a sd e s i g n e da n db u i l t u p t o s y s t e m a t i c a l l ys t u d yt h es e l f - o r g a n i z a t i o nb e h a v i o ro fc l u s t e r i n gp a r t i c l e si nt h er i s e r a n dt h ed o w n c o m e ro fg l s c f bw i t ht h e c o m p l e m e n t a _ r y m e t a lo x i d e s e m i c o n d u c t o r ( c m o s ) i m a g ec o l l e c t i n ga n dm e a s u r i n gs y s t e m c o n s i d e r i n gs e v e r a l p h y s i c a lq u a n t i t i e ss u c ha st h er a t i oo ft h ec l u s t e r i n gp a r t i c l en u m b e rt ot h et o t a l p a r t i c l ec o u n ta n dt h er a t i oo fm u l t i p l e xc l u s t e r i n gb u b b l en u m b e rt ot h et o t a lb u b b l e n u m b e r , t h ee f f e c t so fo p e r a t i n gc o n d i t i o n s ，l i q u i da n dp a r t i c l ep r o p e r t i e so nt h e c l u s t e r i n gb e h a v i o ro fg l s c f bw e r ei n v e s t i g a t e d s o m er e s u l t sa n dc o n c l u s i o n sw e r e o b t a i n e d ，i n c l u d i n gt h a tt h ep a r t i c l ec l u s t e r sm a i n l ye x i s t e da sd o u b l e t sa n dt r i p l e t s ， t h em u l t i p l e xc l u s t e r sm o s t l ye x i s t e da so n eb u b b l ec a r r y i n gt w ot of o u rp a r t i c l e s t h e c h a n g eo ft h ea v e r a g el i f et i m eo fp a r t i c l ec l u s t e r si sn o to b v i o u sw h i c hm a i n t a i n e da t a r o u n d0 0 7s w h e r e a st h ea v e r a g el i f et i m eo f m u l t i p l e xc l u s t e ra l t e r e db e t w e e no 0 2 a n d0 0 7si s i n f l u e n c e d s t r o n g l yb y t h e s u r r o u n d i n ge n v i r o n m e n t t h e s e l f - o r g a n i z a t i o nb e h a v i o ri ng l s c f bi sc l o s e l ya s s o c i a t e dw i t ho p e r a t i n gc o n d i t i o n s ， p h y s i c a lp r o p e r t i e sa n dh y d r o d y n a m i c s t h ei n c r e a s e so fm a i nf l o w , p a r t i c l e s d i a m e t e ra n dp a r t i c l ed e n s i t yr e s u l ti nt h ed e c r e a s eo ft h ea g g l o m e r a t i o n b u tt h e i n c r e a s e so fa u x i l i a r yf l o wa n dl i q u i dv i s c o s i t yc a l le n h a n c et h ea g g l o m e r a t i o n t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ef r a c t a ld i m e n s i o na n dc l u s t e r i n gb e h a v i o rw a sa l s od i s c u s s e d n f r a c t a ld i m e n s i o nc a nd e s c r i b et h es e l f - o r g a n i z a t i o nb e h a v i o rg e o m e t r i c a l l yi n g l s c f ba n dt h ee n h a n c e m e n to fc l u s t e r i n gb e h a v i o rl e a dt ot h ed e c r e a s eo ff r a c t a l d i m e n s i o n a c c o r d i n gt of r a c t a ld i m e n s i o n ，p h a s eh o l d u pa n dc l u s t e r i n gb e h a v i o r , k n o w i n gt h ec h a n g i n gt r e n do fa n yc o u p l ef a c t o r s ，t h eo t h e rc a l lb ep r e d i c t e d k e yw o r d s ： g l s c f b ；s e l fo r g a n i z a t i o n ；c l u s t e r ；h i 曲s p e e dc a m e r a ；f r a c t a l d i m e n s i o n h i 天津大学硕士学位论文 符号表 符号表 物理意义单位 分形维数 三相流图片的分形维数 分离气泡后三相图的分形维数 从三相流图片中提取的气泡图的分形维数 液固下行床内液固两相流图片的分形维数 气泡平均当量直径 n l m 下行床气泡平均直径 m i l l 上行床气泡平均直径 m i i l 气液固下行床内气泡的平均直径 m l t l 颗粒直径 1 0 。m 毛细管中液柱上升高度 m i n 颗粒循环速度 k g m - 2 h 以 覆盖总体需要的6 覆盖的数目 团聚状态颗粒分率 混合团聚状态气泡分率 混合团聚状态颗粒分率 颗粒终端雷诺数 。 团聚体尺寸数d o ( 单个颗粒的直径) 团聚体的生命周期 s 时间 s ( c s p p ) m s 1 辅助水流表观液速 m m , s 下行床表观气速 m m s 上行床表观气速 m m , s 液固体系中的起始循环流化速度 m s 。 主水流表观液速 m m s 颗粒终端速度 i n s 。1 液体表面张力 m n m 覆盖的尺度 1 1 9 墨 ) 玎垃g 称 囊 j 斛 纠础脚 。蟹 渤 徘d a现历仇如岫廓办岛哪触胁胁脓妇r，矾即咯轨y 6 天津大学硕士学位论文符号表 卵 液体黏度 岛，。上行床固含率 6 s , g l s d 气液固下行床的固含率 e g , g l s d 气液固下行床中的气含率 g g j 气液固上行床的气含率 p 液体密度 p d 颗粒密度 1 2 0 x 1 0 5p a s k g m 。3 k g m 。3 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得基鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：多 碧节 签字日期切g年7 月尹日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫洼盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 云l 建擘 i 导师签名多主 签字日期：洳8 年 7 月7 日签字日期：伽9 q年甲月9 驴 l 刖罱 气液固三相循环流化床( g l s c f b ) 是在较高液速下操作和有颗粒外循环的 一种流化床操作模式，具有良好的传质、传热效果以及能够实现催化剂颗粒的使 用与再生连续进行等优点，在石油化工、生物化工、环境工程等领域具有广阔的 应用前景【l 捌。然而g l s c f b 内部存在复杂的自组织流动结构，这给量化描述带 来了困难。采用现代先进的测试技术并结合分形分析等非线性研究方法对 g l s c f b 内的时空流动结构进行研究，揭示其规律和机理，将对工业反应器的设 计和放大具有指导意义。 自组织结构是指一个系统在无外界强迫时，系统内部自发形成的有序行为 3 1 。团聚行为在气一固体系得到了较充分的研究【4 羽，考察的物理参数主要有颗 粒团的形成和运动、形状、尺寸、平均持续时间等 7 , 8 1 。而液一固和气液固体系 内的自组织团聚行为还未得到深入研究。事实上在液一固和气液固流态化实验中 时常可观察到固体颗粒自发地以团聚成几个颗粒直径大小的颗粒团在运动一】，三 相流化床内形成的以气泡为主的团聚体，常常作螺旋式上升运动【】0 1 。 在液体流化床( 液固及气液固流化床) 内自组织流动结构的研究领域，安晓 冬 1 1 】和刘国林【1 2 】两位研究者采用分形分析与重构的手段分别对液固膨胀床和液 固循环流化床内的颗粒团聚行为进行了较好的研究，得出了液固体内自组织结构 的一些规律，为提高液固膨胀床和液固循环流化床的整体性能提供了依据。尽管 段一然【l3 】对气液固三相膨胀床中的气泡团聚现象开展了一些研究，取得了气泡 团聚行为方面的一些规律和内在机理，为了解三相体系内部的流动结构起到了一 定的作用。但是三相体系内部存在颗粒团聚以及颗粒与气泡混合团聚现象同样不 可忽视，这些团聚行为对气液固流化床的流体力学、传质和传热等性能也同样会 产生重要影响。但目前这方面的研究( 尤其对g l s c f b 内的颗粒团聚和混合团 行为的研究) 国内外均十分匮乏。这与三相流化床( 尤其是g l s c f b ) 的巨大应 用前景产生了较大反差。 本论文将建立一套气液固三相循环流化床装置系统，采用c m o s 高速摄像 技术获取系统稳定运行条件下的三相流场的序列图片，采用自行编写的图片处理 软件等，在一般流体力学讨论基础上系统研究三相循环流化床内的团聚行为。考 察主、辅水流、表观气速、颗粒密度、颗粒直径、液体黏度、液体表面张力等对 三相循环流态化体系自组织现象的影响规律。此外还将运用分形分析的方法，探 索分形维数与气液固三相流体系内自组织团聚行为之间的联系，力图从分形维数 的角度来衡量和描述g l s c f b 内的团聚行为。为揭示g l s c f b 内团聚现象的内 在机理进行探索。 2 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 1 1 三相流态化非均匀性 第一章文献综述 流态化体系的非均匀流动结构主要包括三个层面，即轴向非均匀性、径向非 均匀性、局部非均匀性 1 4 】。轴向非均匀性主要是指相含率、相速度等的轴向分 布的不均匀性；径向不均匀主要指相含率含率、相速度等的径向分布不均匀；而 局部不均匀则指流化床内稀密两相结构共存以及团聚现象的出现等。 1 1 1 非均匀三相流态化 气液固三相流态化体系，包括传统三相流态化体系和循环流态化体系，通常 是将气泡相和颗粒相作为离散相、液相作为连续相的一种反应器体系。由于它具 有良好的传热、传质以及相间接触等优点，已被广泛应用在石油化工、生物化工、 环境工程、湿法冶金、水处理等行业中 1 5 1 。气液固三相循环流化床是一种在较 高液速下操作且具有颗粒外循环的流化床反应器，能方便地实现颗粒的使用和再 生，因而尤其适用于存在催化剂颗粒需再生的场合，如烷基化、加氢【1 6 】以及药 物或蛋白分子的吸附分离等。 然而气液固三相流态化体系内部的流动结构比较复杂，各相含率分布、形态 和速度等都呈现出复杂性。如气泡随着操作条件的变化会呈现不同的状态，气泡 的聚并与破裂频繁发生1 1 7 】；而颗粒相则在液相、气泡等的共同作用下也往往呈 现复杂的分布。固含率、气含率等往往在反应器内部呈现一定的轴、径向分布。 韩社教【l 列等通过实验研究得出传统三相流化床及气液固三相循环流化床内部气 含率在轴向上都呈现下小上大的情况，并在径向上呈现中心区域大于边壁等的规 律。固含率在轴向上呈现上稀下浓的s 型分布，固含率在径向分布上则为中心区 域小于边壁的规律。此外气泡尺寸、上升速度、液含率以及液相速度等在三相体 系都存在一定的分布1 1 9 2 0 。 近年来，流化床体系内的不均匀时空多尺度结构问题受到重视【2 1 1 。李静海 等【2 2 乃】提出能量最小多尺度模型，并成功预测了快速气固流化床中局部稀密两相 不均匀分布和密相的团聚体尺寸以及气固流型。 尽管流化床体系内的多尺度等问题已被研究者广泛认识【2 4 】，但就目前的文 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 献报道来看，并未见到关于气液固三相循环流化床体系内介观尺度团聚物( 气泡 聚团、颗粒聚团等) 的研究报道。由于气液固三相体系内的介观尺度团聚物的存 在使得三相体系的非均匀性增加。为了更好的理解气液固三相体系流动规律并最 终实现对其进行量化描述，必然要求对该体系内的团聚物复杂的时空结构进行研 究。 1 1 2 气泡流动结构 气泡行为是三相流化床反应器设计与模拟计算等的重要参数之一，可以用于 三相流流区的划分及相流动结构的确定，并决定着流化床内相含率的轴径向分 布、相间作用以及传质行为等【2 5 1 ，因而在三相流化床体系内占据重要地位。分 析研究进展可知目前研究成果主要涵盖以下几个方面：( 1 ) 气泡的形状、大小及 其分布；( 2 ) 气泡的上升速度；( 3 ) 气含率的轴径向分布；( 4 ) 气泡的聚并与破碎 过程分析。 气泡的大小在传统三相流化床以及三相循环流化床中都被发现满足对数正 态分布。束忠n a t 2 6 1 ，陈祖茂【2 7 1 等通过摄像图像处理等方法研究得出传统三相流 化床内的气泡大小服从对数正态分布。而王铁峰等【2 8 】通过光纤探头检测技术获 得了气液固三相循环流化床中的气泡大小也满足对数正态分布的结论，同时指出 在较低气速下，增加气速将使气泡平均直径变小，并且气速对边壁区的气泡大小 分布的影响大于中心区域；表观液速对气泡的s a u t e r 平均直径的影响不明显以及 固含率增大会缓慢增大气泡的s a u t e r 平均直径等。 三相流化床中的气泡上升速度一般与气泡的大小、床层膨胀率、颗粒直径、 床层空隙率等因素有关 2 9 - 3 1 】。对于气液固三相循环流化床中的气泡上升速度，则 呈现出中心区域高、边壁区域低的径向分布，但这种分布随气速的增加而趋于平 缓。此外还指出边壁区域的气泡上升速度分布较中，t l , 区域分布宽掣3 2 1 。 在气液固三相体系中，经常发生气泡的聚并与破碎过程。气泡的聚并过程一 般分为三个阶段：首先是两个气泡的相互靠近；第二是靠近的两个气泡间液膜的 变薄；最后是两个足够接近气泡间液膜的破裂而聚并成一个更大的气泡。相反的 过程即气泡的破碎过程也不断发生，当气泡的大小超过最大气泡尺寸的时候，往 往在剪切流或湍流等剪应力作用下而破碎成小气泡p 引。 此外，气泡之间还存在着团聚行为，即三相体系内的气泡之间往往不是彼此 独立运动，而是以一种相干运动方式或气泡群的方式而运动的【3 4 】。国内段一然【1 3 1 根据耗散结构理论的观点，受自然现象的启发，应用分形动力学理论重构了气液 4 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 固三相膨胀床内分散鼓泡区的气泡自组织结构。 综上可以看出在气液固三相体系中气泡的流动结构存在明显的不均匀性，从 轴向、径向、到局部三个层面上都体现出了气泡的不均匀结构。气泡团聚行为等 的出现也进一步加强了这种非均匀流动结构。 1 1 3 颗粒流动结构 颗粒流体系统内部存在着非均匀结构并伴随着时空动态行为，该系统在大多 数情况下处于非线性非平衡状态，是一种典型的耗散结构【3 5 1 。气液固三相体系 内的颗粒流动非均匀结构可分为：( 1 ) 固含率的轴径向分布的不均匀；( 2 ) 颗粒 运动速度分布的不均匀；( 3 ) 颗粒团聚物的形成、演化和破碎过程不断发生。 邱欧【3 6 】等考察液体黏度对液固流态化影响后指出，液体黏度的增加一方面 减小了气泡体积从而导致更平稳的流化，另一方面黏度增加后由于薄层效应而使 颗粒发生了团聚现象，而导致不均匀流化。因此，三相体系内颗粒团聚行为的存 在并影响着体系的整体流动行为等。 综上可知，气液固三相流化床内颗粒流动结构是非均匀的，表现在固含率的 轴径向分布非均匀、颗粒速度的分布不均匀以及颗粒团聚行为等的存在。而颗粒 团聚行为等充分体现了自组织耗散结构的基本特点，即开放系统中呈现的有序性 都是耗散结构【3 刀。 1 1 4 三相流态化的影响因素 影响流化质量的因素主要包括三大类：第一类是操作条件，如液速、气速、 颗粒循环速度( 三相循环流化床) 等；第二类是液体性质以及颗粒性质等，如液 体的黏度、表面张力、液体密度、颗粒密度、颗粒大小等；第三类影响因素是设 备尺寸方面的影响，如反应器直径、分布器结构等。 王铁峰等【3 2 】通过实验研究得出表观气速对气液固三相循环流化床气泡上升 速度以及气液相界面积、气含率等都有影响。随着表观气速的增大，三相循环流 化床中的气含率增大，气泡的平均上升速度增大，并且气泡上升速度的分布变宽， 具有较小速度和较大上升速度的气泡都有所增加。 随着表观液速的增加，当液速达到起始循环液速以后三相流化床体系逐渐过 渡到循环流化床操作流区。三相体系颗粒循环速度随着表观液速的增大不断增 大，当循环流化床达到充分发展段后颗粒循环速度基本保持恒定。在传统三相流 区气含率随着表观液速的增大而增大，而当进入循环流区后气含率基本不随表观 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 液速的变化而变化【3 8 】。 此外，由于液体表面张力的变化将影响到气泡的界面性质、颗粒流体界面性 质等，必然对三相流化床的流动结构产生影响。液体密度的改变同样将改变颗粒 的起始流化速度、起始循环速度等，也将影响到全床及局部的流动结构。 设备参数的影响主要表现在小尺寸的反应器内。尺寸越小，气泡越容易发生 聚并而产生节涌现象【3 9 1 。此外反应器的内构件等如颗粒分布板的结构等也对流 动行为有一定的影响【4 0 】。本论文研究主要考察的是操作条件、体系物性等的影 响。 1 2 自组织现象与分形理论 耗散结构理论研究一个开放系统由混沌向有序转化的机理、条件和规律。一 个远离平衡态的开放系统，当外界条件或系统的某个参量变化到一定的临界值 时，通过涨落发生突变，即非平衡相变，就有可能从原来的无序状态转变为一种 时间、空间或功能有序的新状态。这种宏观的有序结构需要不断地与外界进行物 质和能量的交换。普利高津把这种需要耗散物质和能量的有序结构称为耗散结 构，将系统在一定条件下自发形成的组织性和相干性称为自组织现象【4 1 1 。 耗散结构形成的条件主要包括六点：( 1 ) 开放系统；( 2 ) 远离平衡态；( 3 ) 通 过突变过程产生自组织现象，或称临界值的存在；( 4 ) 正反馈系统；( 5 ) 内部各 要素存在着非线性的相互作用；( 6 ) 涨落导致有序。 1 2 1 流化床内的自组织流动结构 流化床内形成的宏观有序结构，如气泡( 团) 、颗粒( 团) 等的宏观有序结 构满足耗散结构产生的要求。首先流化床满足开放和远离平衡态的条件：其次流 化床内各种流区的存在或起始流化速度、起始循环速度等的存在说明了突变过程 的存在或称各种临界值的存在；再次，流化床内的流动结构满足正反馈的基本特 点，如流化床内一个漩涡的产生，往往会导致更多漩涡的产生，此外团聚现象的 出现也说明了正反馈作用机制，颗粒( 或气泡) 与颗粒( 或气泡) 之间存在力的 作用，而颗粒团( 或气泡团) 与颗粒团( 或气泡团) 之间存在同样力的作用 4 2 , 4 3 ， 这种作用机制满足正反馈的作用机制以及嵌套结构的产生。第四，流化床体系是 一个复杂非线性体系已得到大多数研究者的认可；第五，流化床体系内各种流型 的出现正是通过液速、气速等的涨落实现的。通过以上分析可以得出流化床内自 6 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 组织流动结构是一种耗散结构，它确实也是通过与环境不断进行物质和能量的交 换来实现的。 流化床内的自组织流动结构在气固方面研究的较多。描述自组织流动结构主 要涉及了这样一些物理参数：颗粒团的形状( c l u s t e rs h a p e ) 、颗粒团密度( d e n s i t y ) 、 颗粒团尺寸( s i z e ) 、流型( f l o wp a t t e r n ) 、颗粒团的平均持续时间( m e a nd u r a t i o n t i m e ) 、颗粒团聚的发生频率( o c c u r r e n c ef r e q u e n c y ) 、颗粒团的速度( v e l o c i t y ) 、 相体积分率( v o l u m e t r i cp h a s ef r a c t i o n s ) 、压力( p r e s s u r e ) 、温度( t e m p e r a t u r e ) 、 颗粒团的形成( f o r m a t i o n ) 、颗粒团运动( m o t i o n ) 、相干结构的耗散( d i s s i p a t i o n ) 、 气泡形成时间( b u b b l ef o r m a t i o nt i m e s ) 、气泡上升和停留时间( b u b b l er i s eo r r e s i d e n c et i m e s ) 、抖动时间( o s c i l l a t i o nt i m e s ) 、颗粒团数( c l u s t e rc o u n t ) 、团聚 体尺寸( c l u s t e rs i z e ) 等畔, 4 24 5 1 。 在液固或气液固三相体系方面，段一然【1 3 】对气液固三相流化床中的气泡团 聚现象进行了研究，认为气泡由于瞬间偶极的作用使气泡间存生力的作用而相互 靠近，而靠近的气泡团间由于相同的作用将进一步形成更大的气泡团，这种递归 关系使体系呈现出分形本质，采用关联维来描述气泡的自组织情况，此外还采用 c a n t o r 分形集重构了气液固流化床内的气泡团聚行为。a nxd 等【4 6 建立二维液 固流化床采用c c d 技术研究了体系内的颗粒团聚行为，获得了二维液固流化床 内的颗粒团聚体的形成和破碎、颗粒团尺寸分布等重要信息，研究认为颗粒间存 在液桥力的相互作用而使颗粒形成小颗粒团，而相同的作用力作用下小颗粒团将 进一步形成大的颗粒团。这种尺度的不变性与分形之间存在相同的内在本质，通 过分形动力学( c a n t o r 分形集) 重构了这种颗粒团聚行为。刘国林【1 2 】建立了液固 循环流化床装置系统，采用c c d 图片采集和处理系统对液固循环流化床内的颗 粒团聚自组织流动结构进行了研究，获得了液固循环流化床体系内颗粒团的形成 和破碎过程分析，以及颗粒团的尺寸分布等重要信息，此外该研究者结合粱五更 等1 47 j 的环核模型运用分形动力学重构了该系统条件下的颗粒团聚行为，重构结 果与实验研究结果的具有相同的趋势。 1 2 2 分形与分形维数 分形( f r a c t a l ) 是美籍法国数学家曼德布罗特( b e n o i tm a n d e l b r o t ) 创造的 一个词，本意为不规则的、破碎的、分数的之意，用来描述欧几里得( e u c l i d ) 几何学所不能描述的一大类复杂无规则的几何对象4 8 1 。例如蜿蜒曲折的海岸线、 起伏不定的山脉、令人眼花缭乱的满天繁星。这些图形的特点是极不规则或极不 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 光滑。 分形的定义为部分与整体以某种方式相似的图形。一个系统的自相似性是指 某种结构或过程的特征从不同的空间尺度或时间尺度来看都是相似的，或者某系 统或结构的局部性质与整体相似。自相似性存在于物理学、化学、天文学、材料 学、生物学、经济学等众多学科中，可以存在于物质系统的多个层次上，是物质 运动发展的普遍规律【删。 分形可以分为有规分形( 或称规则分形) 和无规分形( 或称随机分形) ，有 规分形一般是按照数学法则生成的，因此具有严格的自相似性；而无规分形是指 在分形图片的生成过程中加入随机性，如随机去掉某些操作，或对某个层扶上的 图形取向进行扰动，这样所得到的图形只具备统计意义上的相似性。应该指出的 是大自然中的分形一般都只具备统计意义上的自相似性。 分形维数是表征自相似系统或结构的定量性质，并不随图形的放大和缩小而 发生变化。因此分形维数是描述非线性系统中自相似性的一个特征参数。在欧氏 几何中点是0 维，线是1 维，平面是2 维，立体是3 维，然而分形维数一般是分 数维，例如k o c h 曲线的维数为d h = l n 4 l n 3 ，c a n t o r 曲线的维数是d c 。咐= l n 2 l n 3 。 八a ，、 。n 。、。n 。 k-3 k = 图i - 1k o c h 曲线 - 一- _ _ i - - i 1 1 i il | | li | 1 1l | | i 图l o c a n t o r 曲线 分形维数的计算方法很多，不同的计算方法适用于不同的场合，咀上所提到 的k o c h 曲线的维数、c a n t o r 曲线的维数等都是相似维数，其严格的定义为： 。= 磐而i n 雨n 式中d 。为相似维数，n 表示分形整体由n 个非重叠的部分组成，r 为每个 部分与整体的相似比。 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 然而相似维的计算只对具有严格自相似的分形体好用，对那些具有统计意义 上的分形( 比如海岸线) 的分形维数计算需要采用其它方法来计算。盒维数是计 算具有统计意义分形的维数较好用的方法f 4 8 1 。 从本质上看，分形是一种具有多尺度嵌套结构的系统。流化床中自组织流动 结构在微尺度、介观尺度和宏尺度范围内存在一定的相似性。段一然【i3 1 、安晓 冬【】、刘国林 1 2 】分别对气液固三相体系和液固两相体的自组织流动结构图进行 了放大，发现在不同尺度下图片保持了自相似性，说明流化床内的自组织流动结 构具备分形的本质特征，这为采用分形维数来量化衡量它们的流动结构提供了科 学的手段和方法。 1 3 可视化技术与数字图像处理 多相流测试技术较多，主要分为侵入式和非侵入式两类测试技术。摄像可视 化技术是非侵入式的测试技术，能够直观反映出多相流体系内复杂时空流动结 构，并不对反应器内部流场产生干扰。结合数字图像处理技术可以方便地进行多 相流反应器内一般流体力学以及自组织流动结构等的研究。 1 3 1c m o s 高速摄像技术与特点 c m o s 表示“互补金属氧化物半导体”，c m o s 传感器不需要复杂的处理过 程，直接将图像半导体产生的电子转变成电压信号，因而具有非常快速的优点。 这一优点使得c m o s 传感器对于高速摄像具有很大用处，帧速率一般能够达到 4 0 0 到2 0 0 0 帧秒【5 0 1 。从而使得科研或生产中的某些快过程得以有效的研究，例 如汽车撞击安全测试试验、火箭发射过程等。 1 3 2 数字图像处理 数字图像处理从本质上说，是运用计算机对离散数字图像阵列作某种“运 算”、“变换”、“修饰”或“处理”，最终实现对图像的评价、识别与理解。数字图像 处理一般包括以下几个基本步骤【5 l 】： 差影检测，或称为去除背景，目的是使目标图像背景均匀，消除灯光以 及外界的干扰。 阈值分割，就是对灰度图片设定一个门限，将大于该阈值的灰度值归为 一类，而将小于该门限的灰度给为另一类。在数字图像处理中经常通过阈值分割 9 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 使灰度图二值化而转换成黑白两色图( 背景为黑色，目标图像为白色) 。 中值滤波，作为一种区域处理方法，它首先将区域中的所有值进行排序， 并将中间值赋给中心像素。中值滤波的目的在于有效消除随机突变的噪声的影 响，得到好的图片效果。 经过以上几步基本处理的数字图像，在根据具体的目的可以进行进一步的计 算和处理，如多相流图片的相含率的计算、分形维数的算等。此外通过处理序列 图片，从序列图片中抽取时空信息可以方便地计算相速度等重要信息。 1 3 3 高速摄像技术用于自组织研究的可行性 气液固三相流体系内的自组织研究主要体现为对团聚体( 气泡团聚体、颗粒 团聚体、混合团聚体等) 形态、尺寸、形成和运动发展等规律的研究。由于三相 体系中气泡的扰动，使得体系内部的湍动剧烈，属于一个快过程，采用一般的摄 像可视化技术较难清楚反应出体系内部的时空信息。然而近年来发展和兴起的高 速摄像技术，为解决这一难题提供了有力手段。 高速摄像技术与多相流测试技术中的其它测试技术相比如颗粒图像测速技 术( p i v ) 5 2 , 5 3 1 、电容层析成像技术( e c t ) 5 4 , 5 5 1 、激光多普勒测速技术( l d a ) 5 6 , 5 0 等非侵入式测试技术，以及光导纤维技术5 8 1 、电导探针技术 5 9 , 6 0 等侵入式测 试技术相比，具有直观、简单、方便、价格低廉等优点。因此在本研究中采用高 速摄像技术进行g l s c f b 内自组织结构研究具有较大可行性。 1 4 本论文研究方案 本论文将采用c m o s 高速摄像技术及图像处理的方法，对气液固三相循环 流化床内的气泡、颗粒等的团聚行为及其运动变化规律等自组织现象进行研究， 并借助分形维数等重要工具来实现对气液固三相循环流化床内自组织流动结构 的量化描述。 在充分理解气液固三相循环流化床内自组织流动结构影响因素作用规律的 基础上，进一步地探讨分形维数与自组织流动结构的关系。从分形维数角度来力 图实现对g l s c f b 内团聚行为的深入理解，并分析减缓( 或增强) 自组织团聚 行为的途径，进而为g l s c f b 的设计和操作、提高反应器的性能提供依据。 1 0 天津大学硕士学位论文 第二章实验装置及测试系统 第二章实验装置及测试系统 2 1 实验装置及流程 本实验中采用的实验装置及测试系统的示意图如图2 1 所示。 3 图2 1 气液固三相循环流化床示意图 f i g 2 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h et h r e e - d i m e n s i o n a lg a s 1 i q u i d - s o l i dt h r e e - p h a s e c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e d 1 一上行床2 一下行床3 一分离器4 一主水流入口5 一辅助水流入口6 一辅助水流分 布板7 上行床气体分布器8 上行床方形测试段9 一上行床测压取样口1 0 一上部循 环管 l l 一蝶阀 1 2 一下行床测压取样口 1 3 下行床方形测试段 1 4 一下行床气体分布 器 l5 料液进料分布器1 6 一下部循环管 17 - - c m o s 高速相机 18 计算机 ， 本实验采用c m o s 高速相机结合白炽灯( 2 2 0v ，1 0 0w ，4 盏) 对气液固 三相循环流化床内出现的自组织流动结构及一般流体力学进行可视化研究。 实验装置主要由上行床、下行床、液固分离器、气体分布器及蝶阀等组成。 上行床底部安装有不锈钢材料加工成的主、辅水流分布器。在上行床内气液固三 天津大学硕士学位论文第二章实验装置及测试系统 相并流向上运动。主水流从上行床底部4 号位置进入床体，经7 根外径为8m m 、 长为2 3 0m m 的不锈钢管束组成的主水流分布器均匀分布后进入上行床主体段 ( 有玻璃管加工而成，内径5 0m m ) 。辅助水流从上行床底部5 号位置进入床体， 经辅助水流分布板均匀分布后进入上行床主体段。辅助水流分布板上于主水流分 布管束的环隙间均匀分布了3 0 个3h i m 直径的小孔( 开孔率为1 3 2 ) 使辅助 水流能够得到均匀分布。在上行床主水流分布管出口上方5 0m m 处以及在下行 床料液进料分布器上方5 0m m 处各水平安装有一个由0 3 不锈钢管制成的环形气 体分布器，气体分布器的外圆环直径为2 7m m ，在环形不锈钢管气体分布器的内 外侧壁上打有2 0 个( 内外壁各l o 个) 0 5m m 孔径并均匀分布的水平气孔，使 通入上行床和下行床的气体能够得到均匀分布。 从上行床底部并流上行的气液固三相流体上升到上行床顶部后，气泡脱离液 固体系并放空。液固两相流体则进入分离器进行液体与颗粒的分离，液体从分离 器上部的出口流出，并返回储液槽。分离器的内径较大，液速变低，从而使得颗 粒得以沉降至分离器底部并在重力的作用下进一步通过上部循环管落入下行床。 下行床不通气体时，主要为颗粒沉降、储存提供场所。在下行床底部始终保 持了一段颗粒堆积高度，并通过下部循环管不断为上行床提供颗粒以维持正常的 颗粒循环操作。当下行床通气体时，宏观上颗粒向下运动、气体及从料液进料分