湍流条件下气泡和液滴的总碎裂速率和子尺寸分布规律的研究

多相湍流体系（气-液或液-液体系等）中流体流动时伴随发生的流体颗粒（气泡或液滴）的破裂过程通常决定了流体颗粒在流场中的分散状态、粒径分布和相间接触面积，并对整个体系的传热、传质和反应性能有着重要影响。但由于过程的复杂性，迄今关于湍流条件下流体颗粒破裂的研究仍很缺乏。本项目运用现象学方法、湍流结构和统计理论，从破裂的约束条件、子颗粒主控数目分布与湍流涡动能分布之间的关系着手，从流体颗粒与小涡的作用过程和流体颗粒在大涡内的输运过程来深入研究破裂行为的主控特征。具体内容包括：湍流条件下气泡和液滴发生破裂的约束条件、不同尺寸湍流涡对破裂的贡献机理以及子颗粒的主控数目和尺寸分布的规律，以构建流体颗粒的总破裂速率和子尺寸分布的机理模型。本项目可为破裂的研究奠定理论基础，并为多相反应器的设计、放大以及工业生产装置的优化提供破裂分散方面的理论依据。

湍流多相体系，如气-液、液-液、气-液-固等体系，广泛存在于石油化工、环境、生物化工、食品加工、制药和轻工等领域，在搅拌釜、鼓泡塔、气升式环流反应器、板式塔、萃取塔、撞击流反应器、喷射式反应器、旋转填充床等反应器中经常遇到。反应器内流体流动时伴随发生的流体颗粒（以下简称流粒，气泡或液滴）的碎裂过程通常决定了流粒在流场中的分散状态、粒径分布和相界面积，对整个体系的传热、传质和反应性能有着重要影响。因此如何深入认识流粒的碎裂分散过程的机理并建立相应的理论模型一直是国际上多相流研究领域的重点以及热点问题。.本项目运用现象学方法，结合湍流结构和统计理论，主要了开展如下研究：对流粒的碎裂分散过程进行了实验图像重建，获得了可用于分析和验证流粒碎裂模型的实验数据，并获得了搅拌转速、通气量、搅拌桨型等操作条件对流粒碎裂过程的影响规律；基于流粒碎裂物理过程，构建了流粒多元碎裂约束条件即能量密度增量新标准，并提出了流粒多元碎裂过程的解耦建模方法，提出了将多元碎裂过程分解为若干个二元碎裂子过程的设想，为从物理过程出发构建流粒的多元碎裂机理模型提供了思路；运用该思路可以突破现有多元碎裂子尺寸分布模型无法真实反映碎裂的物理过程以及物性影响的现状（传统方法是从纯统计学角度出发）；另外，多元碎裂各子流粒之间的子尺寸分布是否具有可交换性应取决于子流粒生成过程的差异性；提出了小涡、大涡两种机制，分别构建了考虑表面摆动的流粒与小涡的碰撞频率理论模型、考虑流粒输运时间与涡特征时间定量关系的大涡与流粒的作用频率理论模型；利用碎裂尺寸比之间的质量守恒关系，构建了流粒多元碎裂的总速率和子尺寸分布理论模型；耦合群体平衡模型以及本项目构建的碎裂模型，对搅拌反应器内流粒尺寸分布进行了模拟，模型结果与实验数据吻合良好。.本项目构建的流粒碎裂速率和子尺寸分布理论模型为多相反应器的设计、模拟和优化提供了流粒分散性能方面的理论依据，可为工业反应器（如环己烷氧化等）的节能减排、降耗和提质提供了理论支持。另外，本项目提出的湍流条件下流粒与湍流流体碰撞、作用频率与碎裂概率的理论建模方法和成果应用于快速反应体系中流体微观混合过程。研究成果在丙烯高温氯化反应生产装置中得到了成功应用，产生了良好的经济效益和社会效应。

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