本发明专利技术提供了一种测量颗粒流体两相流系统非均匀结构参数分布的方法。该方法包括：１）确定输入条件；２）建立多尺度关联的动量和质量守恒方程；３）建立稀相和密相团聚物在加速和减速过程中与结构参数的关系；４）根据颗粒流体系统的稳定性条件将求解非均匀结构参数的问题转化为数学上的泛函问题；５）确定泛函的函数定义域，求解泛函问题，输出计算结果。本发明专利技术缩小了计算量和计算时间，提高了计算速度，为工业装置规模的颗粒流体反应器的实时操作和控制提供快速准确的参数分布。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及颗粒流体两相流系统，特别涉及。
技术介绍
颗粒流体系统广泛应用于石油的催化裂化，煤的燃烧等过程工业。在两相流反应器内，颗粒流体呈现复杂的非均匀流动结构，它是反应器内流动、传质和传热过程研究的关键。反应器内的非均匀结构参数的分布和演化规律是反应器设计、运行、控制和放大关注的核心。目前对反应器内流动参数的描述往往是工程经验关联方法或者计算流体力学(CFD)方法。经验关联方法主要建立在对有限实验或工业数据的分析基础之上，在指导反应器放大时，该方法缺乏可靠性。而追踪单颗粒运动的拉各朗日方法很容易超出目前超级计算机的计算能力，参见文献1Limtrakul S.，Chalermwattanatai A.，Unggurawirote K.，Tsuji Y.，Kawaguchi T.and Tanthapanichakoon W.ChemicalEngineering Science Vol.58，P.915，(2003)中公开的技术。而采用欧拉方法描述颗粒流体系统内非均匀结构时，微元体曳力系数的计算是该方法的薄弱环节，参见文献2Yang，N.，W.Wang，et al.Chemical Engineering Journal 96，P.71(2003)中公开的方法。当工业尺度的反应器需要实时调控时，欧拉方法和拉各朗日方法计算周期都偏长。举例说明，如果想知道颗粒流体系统在60秒后的流动规律，欧拉方法也往往需要半个月的计算时间，因此很难满足实时调控的要求。在颗粒流体系统中，不但存在离散的单颗粒，也存在介观尺度大小的团聚物，多尺度的非均匀流动结构是颗粒流体系统的主要特征。建立一种足够精确而又简单的测量方法，能迅速掌握其内多尺度非均匀结构参数分布特征，对工业反应器放大、设计及调控更具有准确的指导作用。因此，现有技术的不足就需要一种改进的测量颗粒流体两相流系统非均匀结构参数分布的方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术测量多尺度结构时的计算周期长、计算量大的缺点，为过程工业提供。为了实现上述目的，本专利技术采取如下技术方案。，步骤包括1)确定输入条件，包括现场固相颗粒直径dp、颗粒密度ρp、气相密度ρf、气相粘度μf，等物性参数，设备的高度Ht和直径Dt等设备参数，表观流体速度Ug和颗粒流动速率Up等操作条件；2)建立多尺度关联的动量和质量守恒方程；3)建立稀相和密相团聚物在加速和减速过程中与结构参数的关系；4)根据颗粒流体系统的稳定性条件将求解非均匀结构参数的问题转化为数学上的泛函问题；5)确定泛函的函数定义域，求解泛函问题，输出计算结果。进一步地，在步骤2)中，颗粒流体系统在非平衡系统作用下，存在稀相加速度和密相加速度，描述稀相和密相需要10个参数，为X＝(εf，εc，f，Uf，Uc，Upf，Upc，dcl)和af、ac，其非均匀结构如图1所示，建立稀相和密相共存的微单元的加速和减速过程的动量守恒方程、质量守恒方程、密相团聚物直径方程等基本方程如下微单元内稀相颗粒受到的力平衡方程为F1(X)=34Cdf1-ϵfdpρfUsf2-(1-ϵf)(ρp-ρf)(g+af)=0---(1)]]>微单元内密相内颗粒受到的力平衡方程为F2(X)=34Cdc1-ϵcdpρfUsc2f+34CdifdclρfUsi2-f(1-ϵc)(ρp-ρf)(g+ac)=0---(2)]]>微单元内稀密相相间力平衡方程为F3(X)=Cdf1-ϵfdpρfUsf2+f1-fCdi1dclρfUsi2-Cdc1-ϵcdpρfUsc2=0---(3)]]>颗粒连续性方程F4(X)＝Up-Upf(1-f)-Upcf＝0(4)流体连续性方程 F5(X)＝Ug-Uf(1-f)-Ucf＝0(5)团聚物尺寸方程F6(X)=dcl-dp·gNstρpρp-ρf-(Umf+Upϵmf1-ϵmf)·g=0---(6)]]>其中，ρ表示密度，此符号在公式中有下标，下标p表示颗粒，f流体密度；μf表示流体粘度；Cd表示床层曳力系数；Ug表示气相表观速度；Up表示颗粒相表观速度；Uf表示稀相流体表观速度；Upf表示稀相颗粒表观速度；Uc表示团聚物密相流体表观速度；Upc表示团聚物密相颗粒表观速度；ε表示微元内平均空隙率；εc表示团聚物密相空隙率；εf表示稀相空隙率；f表示密相体积分数；dcl表示团聚物直径；dp表示单颗粒直径；ac表示密相加速度；af表示稀相加速度；g表示重力加速度；Nst表示单位质量颗粒的悬浮输送能耗；εmax表示团聚物存在时的最大空隙率；下标p表示固相；下标c表示浓相；下标f表示稀相；下标i表示相间；下标mf表示初始流化状态；各表观滑移速度与结构参数有如下关系Usc=Uc-ϵc1-ϵcUpc---(7)]]>Usf=Uf-ϵf1-ϵfUpf---(8)]]>Usi＝(1-f)(9)进一步地，在步骤3)中，令稀相加速度等于常数，而对密相加速度，在加速和减速过程中，团聚物质量会发生变化，根据变质量体系的动量定量，得到团聚物加速度与结构参数的关系为ac=(Upf1-ϵf-Upc1-ϵc)f(1-ϵc)∂(f(1-ϵc))∂zUpc1-ϵc+∂(Upc1-ϵc)∂zUpc1-ϵc---(10)]]>进一步地，在步骤4)中，颗粒流体系统在运动过程中各自具有自己的极值趋势，固体颗粒倾向于保持最小的势能，流体倾向于选择最小的阻力方向，两种流动趋势相互协调，产生了系统稳定的极值条件，即单位质量颗粒的悬浮输送能耗最小(Nst→min)；此时，所述的稀相空隙率εf总是倾向于取最大值，即εf＝εmax颗粒流体极值行为的相互协调适用于对整个系统的宏观尺度上，因此，系统的稳定性条件为床层内平均的单位质量颗粒的悬浮输送能耗最小(Nst‾→min),Nst‾]]>为Nst‾=∫0Ht(1-ϵ(z))Nst(z)dz∫0Ht(1-ϵ(z))dz---(11)]]>其中，Ht为床高度，ε为局部空隙率，ε(z)＝εc(z)f(z)+εf(1-f(z))，Nst为单位质量颗粒的悬浮输送能本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种测量颗粒流体两相流系统非均匀结构参数分布的方法，步骤包括：１）确定输入条件，包括物性参数：固相颗粒直径ｄ↓［ｐ］、颗粒密度ρ↓［ｐ］、气相密度ρ↓［ｆ］、气相粘度μ↓［ｆ］，设备参数：设备的高度Ｈ↓［ｔ］和直径Ｄ↓［ｔ］等，操作条件：表观流体速度Ｕ↓［ｇ］和颗粒流动速率Ｕ↓［ｐ］；２）建立多尺度关联的动量和质量守恒方程；３）建立稀相和密相团聚物在加速和减速过程中与结构参数的关系；４）根据颗粒流体系统的稳定性条件将求解非均匀结构参数的问题转化为泛函问题；５）确定泛函的函数定义域，求解泛函问题，输出计算结果。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：程长建，葛蔚，高士秋，
申请(专利权)人：中国科学院过程工程研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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