基于遗传算法的快速X射线计算机层析成像多相流测试技术(Ⅱ)静态实验验证

采用静态实验模型和一套X射线测试系统模拟了二值多相体系多角度同时投影的X射线CT测量过程。静态实验模型模拟空气-水两相体系，截面相浓度分布满足0-1特征。X射线测试系统由一台工作电压为150 kV的闪光X射线机、一台X射线平板检测器和一套数据采集单元组成。通过旋转静态实验模型，分步实现不同角度的投影数据采集。基于模拟的多角度“同时”采集的投影数据，使用本系列研究所构建的基于遗传算法的快速X射线CT多相流测试技术（GA-XCT）对截面图像进行重建，测试结果表明：在3～24个有限角度实测投影数据的情况下，GA-XCT表现出了明显优于传统CT图像重构算法（滤波反投影算法）的图像重构能力，且具有良好的抗噪声能力。     

气固多相双通道同轴射流湍流场的数值模拟(2)

运用气固多相流数值模拟软件对双通道同轴气固射流湍流场进行了数值模拟研究,预测结果与ＬＤＶ激光测速仪测得的固体颗粒速度分布值进行了比较,结果表明,吻合较好,该软件为气固多相流工程设备的快速、经济的开发研究提供了相应的辅助工具,同时,也是理论研究气固多相化学反应流的基础。     

机器学习在多相反应器中的应用进展

准确理解并精确预测多相反应器内复杂的流体力学特性、传递现象及反应特征,是过程工程领域的热点方向之一。随着试验测量技术及高性能计算机的快速发展,研究者可以获取高精度的多维瞬态流场数据集。近十年来,机器学习作为一门新兴学科,越来越广泛地应用于数据挖掘、图像识别、智能控制等领域。本文概述了几种常用的机器学习方法（包括神经网络模型、支持向量机模型、决策树模型、聚类算法模型等）,总结了机器学习模型的构建过程（包括数据集的建立、特征变量的选择、算法框架的选取、模型参数的调优、模型验证与测试等）,综述了机器学习辅助多相反应器中流场本构模型构建、流场图像重构、流型识别、流场关键参数预测及优化、不确定度分析、数字孪生技术平台等方面的应用进展,剖析了机器学习结合多相反应器领域所面临的挑战,展望了机器学习在多相反应器中可能有待拓展的方向。     

计算机层析成像技术及其在化工多相流测量中的应用

介绍了射线、电容、电阻和超声波四种计算机层析成像技术的测量原理和在化工多相流测量中的应用,并讨论了它们的发展现状及存在的一些问题.     

磁共振成像应用于多相流体动力学研究进展

多相流反应器广泛应用于化工、冶金、能源及医药等过程工业,其内部具有非稳态、非线性、非平衡的自然属性,因而对多相流检测技术提出了挑战。准确检测并理解多相流体力学特性、进而揭示并掌握多相流反应器设计及放大规律,一直是当今过程工程领域的前沿课题之一。磁共振成像（MRI）作为一种非侵入式、多维瞬态全流场先进检测手段,可获得准确详尽的多维流场信息,包括颗粒浓度与速度（脉动）场、流型识别、气泡尾涡、颗粒聚团等多尺度流场参数及介尺度流动结构。此外,MRI在数值模型验证与改进方面也具有良好的应用前景。概述了MRI技术原理,重点论述了MRI近年来在气固及气液反应器中的研究现状,展望了MRI在多相流反应器中有待拓展的方向。     

颗粒黏度模型对采用欧拉多相流模型模拟超密相颗粒流动行为的影响

颗粒黏度是欧拉多相流模型计算固体流动的重要参数之一，其数值大小依赖于摩擦压力和径向分布函数。通过与实验值对比，评估了常用的摩擦压力模型（Based、Johnson）和径向分布函数模型（Lun、Syamlal O’Brien）对密相颗粒流动体系的预测能力。模拟结果表明，Johnson模型的固体体积分数预测值低于Based模型；Syamlal O’Brien 模型固体流率的预测值远大于Lun模型。采用根据实验结果修正的欧根系数后，Based-Lun、Johnson-Lun和Johnson-SO模型组合预测的平均压降相对误差分别由68.6%、73.3%和78.2%降低至13.2%、29.7%和42.3%。综合考虑压降、固体出口质量流率、固体体积分数、壁面区域固体速度的模拟结果与实验值的偏差，发现Based-Lun模型组合的平均预测误差最小，适用于气固移动床的欧拉多相流模拟。研究还发现，欧根系数与内摩擦角对固体速度与压降有着显著的影响，而临界固含率对固体速度与压降的影响较小。     

快速流化床颗粒团絮特征的MP-PIC数值模拟

为了研究快速流化床颗粒的团絮特征,建立了基于多相质点网格法的快速流化床气固多相流三维数理模型,气相场采用大涡湍流模型,通过求解牛顿运动方程得到颗粒相运动信息,气固间相互作用力采用Gidaspow曳力模型,固体间作用力通过计算颗粒应力梯度得到。基于该模型,对三维快速流化床上升管（H=3 m、d=0.1 m）气固流动开展了数值模拟,并与实验进行了校正,研究了在气速工况U_g=5.28 m·s^-1下的颗粒（ρ_p=2650 kg·m^-3、d_p=250 mm）团絮性质,实现了对上升管内颗粒团絮的基本类型（条形团絮、马鞍形团絮、U形团絮）的成功预测,并揭示了不同类型团絮在上升管内形成、发展、聚并直至破碎的演化规律。结果表明,上升管径向颗粒团絮的平均颗粒浓度分布呈现中间低两边高的环核结构,颗粒团絮速度的分布与其相反;随着轴向高度的增加,颗粒团絮的颗粒浓度逐渐降低而速度逐渐增加,但达到一定高度后变化减缓。     

多相流中颗粒旋转运动特性的研究进展

多相流中分散相颗粒旋转运动特性研究对于进一步揭示多相流机理有重要意义,同时也有助于人们更全面地认识多相流动,因此,越来越受到学者们的关注。近年来,人们从理论模拟方面研究颗粒旋转对流场的影响,通过改进多相流数值模型来考虑颗粒旋转,获得了与实验吻合的结果,但由于模型本身的局限性,无法全面考虑颗粒旋转运动对颗粒群和周围流场的影响;在实验研究方面,人们尝试利用高速摄像方法测量颗粒的转速,并对实际气固两相流中颗粒的转速进行了测量,但更准确、有效的颗粒转速测量方法还需进一步探索。把直接数值模拟方法应用于颗粒旋转运动特性的模拟是进一步研究颗粒旋转运动特性需要突破的方向,另外,通过计算机视觉场景中的连续图像序列对目标物体进行三维运动和结构重建的技术,也将是颗粒转速测量方法的研究重点之一。     

气固流化床内宽筛分硅粉颗粒流化特性的数值模拟

为了探索气固流化床内宽筛分硅粉颗粒的流化特性,作者利用计算流体力学CFD软件,采用Eulerian气固多相流模型及SIMPLE算法,模拟了二维气固流化床内不同粒级硅粉颗粒在不同操作件下的气固流化特性;分析了气泡生成、长大和破裂的过程,研究了床内气固两相的流动特性.结果表明:模拟计算值与实验值吻合较好,最大相对误差为10...     

非规则结构电容层析成像填补法测量的敏感场特性及重构算法改进

利用填补的方式将不规则区域转为规则成像区，可拓展电容层析成像的测量范围。首先分析了填补法对应的敏感场特性，然后分别研究了敏感场、归一化电容、填充区介电常数和图像重构算法对填补法成像的影响。并利用特定的填充区边界条件对Landweber算法进行改进，提出两种改进方法:变换矩阵和拆分矩阵的Landweber图像重构方法。结果表明，填充区使电容信号绝对值增强，非线性程度增加。不同背景的敏感场对成像影响较小，但填充区充满时的敏感场可强化环状流成像。去除填充区噪声的归一化电容矩阵有利于图像重构。填充物质的介电常数与测量区高介电常数相近时成像最佳。拆分矩阵法降低了求解维度，缩短了计算时间，对各种流型成像整体效果较好，基于松弛因子改进还可进一步优化重构图像。最后，在一般非规则结构中对改进方法的可靠性进行了测试验证。研究表明，改进方法可以用于一般性不规则结构的相分布测量，未来还可以用于因高温、腐蚀等无法直接进行电极安装的工业场合中，具有改进多相流测量方法的普遍意义。     

基于介尺度稳定性条件的多相流曳力与群体平衡模型

介尺度结构和介尺度机制是化工、冶金、能源等过程工程中的重要科学问题。尽管多相流数理模型在过去的几十年中已取得长足进展，但仍存在准确性依赖可调参数、模型适用性有限、计算量大等问题，难以适应当前快速发展的新工艺和新过程开发的需求。实际上，基于平均化方法的多流体方程组需要若干子模型封闭，如相间作用力、聚并/破碎核函数以及湍流模型等；这些子模型决定了多流体模型的模拟准确性。从介科学角度发展介尺度物理模型为解决这些问题提供了新的思路。模型可以解析多相流非均匀结构演化的控制机制，进而改进或重构子模型。总结了基于介尺度稳定条件的两类介尺度封闭模型：一类用于封闭相间动量传递，如介尺度曳力；另一类用于封闭离散相特征参数的演化，如介尺度群体平衡模型，计算气泡或液滴尺寸。进而综述了这些模型在流化床、鼓泡塔、气升式环流反应器、搅拌槽、转定子乳化器等多相流设备中的应用，并展望了未来发展方向和关键科学问题。     

锂离子电池阴极浆料内导电粒子动态分布的可视化

由于电阻层析成像（electrical resistance tomography,ERT）技术具有非扰动、无辐射、可视化等优点,本文基于该技术提出了一套能够实现锂离子电池阴极浆料粒子分布特性的可视化在线监测系统。ERT监测系统包括阻抗分析仪（impedance analyzer,IM3570,HIOKI）、计算机（PC）、多路复用器（34970A,Agilent）和8电极传感器。在实验中,搅拌器搅拌速度为720r/min,搅拌时间在360s以内,激励电流的频率为f=1kHz,幅值为1mA。电流输入采用相间激励法,从而获得20组测量电压数据。另外,基于总变差（total variation,TV）正则化的 PD-IPM算法重构了ERT图像,同时,定义了电导率平均值\stackrel{—}{\sigma }_ave和均方差s来定量分析ERT重构图像。此外,为了定性和定量验证ERT测量系统的可行性,分别采用了扫描电子显微镜（scanning electron microscopy,SEM）方法和电阻抗谱（electrical impedance spectroscopy,EIS）方法。对比结果表明,①ERT重构图像和SEM表观形貌图像基本一致,当搅拌时间t<120s时,SEM表观形貌图像中粒子凝聚较为严重,ERT重构图像中颜色变化明显;当t≥120s时,SEM表观形貌图像中粒子趋于分散,ERT重构图像中颜色呈现较为单一的橙色。②EIS中的电阻Z′和电抗Z″变化的变化量与\stackrel{—}{\sigma }_ave和s的变化量相符合,并且阴极浆料的电化学特性能够与ERT重构图像相互对应。因此,基于ERT的锂离子电池阴极浆料分布特性的动态可视化监测系统具有可行性,能够应用于阴极浆料实际工程制备的在线动态监测。     

两相流电阻层析成像测量电路与图像重建

提出一种用于两相流测量的高速电阻层析成像（electrical resistance tomography，ERT）系统。该系统采用双极性脉冲电流源为激励电极对提供激励信号，避免了直流激励造成的电极极化效应，同时简化了滤波电路的设计，相对于常规的交流激励ERT系统显著提高了数据采集速度。针对成像速度较快但成像质量差的线性反投影算法（linear back projection,LBP），采用离线预迭代技术对其进行改进，提出一种改进型线性反投影算法（modified LBP, MLBP），可高速重建较好质量的ERT图像。数值仿真和采用实际测量数据重建图像的结果表明，基于高速数据采集技术和改进的图像重建算法的高速ERT系统可实现两相流实时在线测量。     

基于XCT的气固流化床布风板射流特征研究

构建了X光层析成像（XCT）气固流动参数测量系统,基于锥形束滤波反投影算法（FDK）开发了CT三维重建软件,并设计了射流识别及量化算法。基于以上方法获得了不同流化风速下床料粒径d_p、布风板孔口直径d₀和布风板孔口均分面积A₀对射流形态结构和几何特征的影响规律。结果表明平均射流长度L、最大直径D和体积V与床料粒径d_p成反比,与孔口直径d₀和孔口均分面积A₀成正比,最终拟合了流化床平均射流长度关联式。     

激光流场测试技术在水力旋流器中的应用

介绍了7种流场测试技术（激光多普勒测速技术、相位多普勒粒子动态分析仪、二维粒子图像测速技术、立体粒子图像测速技术、全息粒子图像测速技术、层析粒子图像测速技术、体三维速度场测试技术）的基本工作原理和优缺点,分析了不同激光流场测试技术在水力旋流器流场测试中的测试细节、测试内容以及各自的优势和局限。     

顺序输送混油规律的数值模拟

基于CFD中多相流（VOF）模型,采用有限体积法,建立了重油前轻油后及重油后轻油前顺序输送}昆油模型。以柴油和汽油为例,分别在0°、30°、45°、60°及90° 5种管道倾角情况下进行了数值模拟。研究表明：柴油前行,随着倾角的增加,混油带逐渐增加;汽油前行,随着倾角的增加,混油带逐渐缩短;柴油前行的混油带大于汽油前行的混油带;实际生产中,对于不同倾角管道顺序输送宜采用轻油在前、重油在后的顺序。     

风粉混合器内气固两相流动的模拟及试验研究

煤粉工业锅炉系统中风粉混合器是实现煤粉与一次风快速均匀混合的关键设备,测量及计算风粉混合器内煤粉、一次风气固两相流流场,对于优化风粉混合器结构,强化风粉混合效率及提高一次风粉的均匀稳定供给具有重要意义。笔者针对竖直结构及倾斜结构的2种风粉混合器,开展了数值计算及现场工程试验研究。基于几何拓扑学知识,采用ICEM软件针对2种风粉混合器划分了合适的三维网格;多相流理论模型中,多相连续介质模型中的双流体模型各相视为相互渗透、耦合但又保持各自运动特征的连续介质,相比于单流体模型,双流体模型考虑了固相的湍流输运以及气固两相间相互滑移引起的阻力,使得计算结果更接近实际情况;冷态双流体模型基本方程由守恒方程、相间耦合方程以及封闭方程构成,其中相间耦合方程用于表征气固相动量之间的耦合;为了探究不同停留时间下风粉混合器内气固两相的流场特征,采用非稳态数值计算方法,利用Fluent软件开展数值计算。基于两相流模型及Schilller-Naumann曵力系数模型研究了不同结构下风粉混合器内煤粉浓度分布随停留时间变化特征,采用德图testo425热敏风速仪测量了不同煤粉落料量下风粉混合器内负压变化规律。结果表明,竖直结构的风粉混合器内停留时间由0.25 s增至1 s时,混合器底部颗粒沉积的现象一直存在,即存在较长时间的颗粒流动死角区域;而对于倾斜结构的风粉混合器,当停留时间大于0.3 s,混合器内颗粒浓度基本降为0,较好避免了颗粒在混合器底部的沉积,该结构对于强化混合器内风粉混合及降低供料波动具有重要意义。不同落料量下的现场工程试验结果表明,高落料量下竖直结构的风粉混合器内平均负压偏小,几乎接近正压,且存在间断正压喷粉的现象,故该风粉混合器在高落料量下负压不足,易造成供料波动较大;高落料量下倾斜风粉混合器负压平均值仍大于-1 000 Pa,且无喷粉现象。相比于竖直结构,倾斜风粉混合器具有稳定且较宽的负压变化范围,能较好地克服供料波动大的现象。     

不同操作条件下连续结晶过程的CFD模拟

运用计算流体力学(CFD)的方法,采用多相流与粒数衡算方程的耦合求解模型,以10 L体积的内循环带有导流筒和挡板的DTB型结晶器为结构,在考虑晶体成长和成核的条件下,模拟了KCl-H2O体系的连续结晶过程。模拟设定1个连续相和5个不同尺寸晶体的分散相,考察了不同进料流速和进料质量浓度下连续结晶过程的流场分布和固体悬浮等情况,进而从流体动力学特征、过饱和度分布和晶体的粒度分布等特征参数来分析其对结晶过程的影响。模拟结果表明,进料流速和进料质量浓度均对过饱和度分布和晶体粒数密度分布具有明显的影响,而对流场分布情况影响不大。     

多相流搅拌反应器研究进展

综述了近五年冷态气液固三相搅拌反应器的研究成果,阐明近期研究热点已转为热态多相流搅拌反应器的流体力学行为。概述了热态气液两相体系中通气功率、混合时间、局部及总体气含率的研究结果。指出今后研究重点应为热态的固液悬浮、气液传质过程及其机理,同时说明用计算流体力学（CFD）对气液固三相搅拌反应器的数值模拟仍属起步阶段。     

颗粒负荷对小型旋风器性能影响的模拟分析

为探究颗粒负荷对小型旋风器内气固两相流动的影响，基于雷诺应力模型（RSM）和欧拉-欧拉方法的混合流模型（Mixture）进行气体-颗粒、颗粒-颗粒的相间耦合计算。采用粒径为0.5～5μm的颗粒组在40L/min、60L/min和80L/min的入口流量下模拟0~3kg/m³的5种不同颗粒浓度工况，通过对比旋风器内纯气相流场和颗粒负荷流场的不同，研究了颗粒的存在对流场的影响；探究了入口流量和浓度变化对旋风器内分离效率和压降特性的影响。基于模型有效性验证的数值模拟结果表明：较高颗粒浓度负荷使旋风器内的气相流场发生显著变化。随着入口流量的增大，旋风器的分离效率先增大后减小，压降呈非线性增大。随着颗粒浓度的增大，旋风器的分离效率逐渐增大，压降先减小后增大。