研究背景

    气液及气液固多相流动广泛存在于过程工程的各个方面（石油、化工、冶金、热能、矿业、环境等等），如渣油加氢、甲醇及二甲醚合成、费托合成、微藻光生物反应器等等。对于工业用户，反应器的设计、放大、控制和优化要求理解反应器内的多相流体力学行为；对于研究者，需要理解反应器内的复杂流动结构以及各相之间的相互作用及其各种控制机制。

目标和方法（CFD+多尺度方法）

     计算流体力学（CFD）已成功应用于单相流动的模拟计算，但两相及多相流动由于其内在流动结构呈现复杂性（非线性、非平衡、多尺度结构），还远不成熟，如传统的双流体模型的模拟结果依赖可调参数（如颗粒直径、气泡直径等）。其根本原因是模型忽视了非均匀结构对传递的影响，如双流体模型在计算气固相间动量传递系数时（曳力系数），将微元控制体内的结构视为均匀状态，忽视了控制体内的非均匀结构（如颗粒聚集形成的团聚物）。然而非均匀结构参数对动量、质量和热量传递性能的影响很大。忽视结构参数后计算出的动量传递系数是不准确的，只能模拟出宏尺度的非均匀结构（如径向环核结构），很难得到介尺度的结构（如团聚物）。而研究团聚物的形成及破碎机理对理解传递性能及化学反应都有重要意义。对于气液及气液固系统，气泡的粒径分布、气泡尾涡、气泡变形和震荡、气泡间的聚并和破碎等增加了系统的复杂性。
     研究目标是应用多尺度方法 【李静海CES2003】研究结构对传递性能的影响，并建立与结构相关的颗粒流体相间作用计算方法，再应用于传统的双流体（多流体）模型模拟复杂多相流动，以及与之相关的传质、传热和化学反应。能量最小多尺度模型（EMMS）是中国科学院过程工程研究所多年自主开发的两相流计算模型。该模型应用多尺度方法对系统结构进行了分解，并应用能量最小原理建立了系统的稳定性条件，在此基础上建立的动力学模型可求解系统的非均匀结构参数，这样就使准确地计算气固相间动量传递参数成为可能。应用这一方法，我们建立了双气泡模型(Dual-Bubble-Size Model, DBS), 可以通过气含率的跳变现象描述系统的流型过渡，并提供底层的物理解释，即随着表观气速的增加，体系微尺度能耗最小值在结构参数空间的位置发生了跳变，进而引发结构参数发生变化，从而导致了流型变化。这一方面被用于气液鼓泡塔体系的CFD模拟，可在不调节参数的条件下提高模拟的准确性。

应用举例

1.环流反应器底部流场计算

图1 环流反应器底部液相速度分布（水－空气体系）      图2 环流反应器底部液相速度分布（氢气－重油体系）

2. 气液体系流型过渡的模型预测和物理解释

3. 气液体系的多尺度计算流体力学模拟

发表论文 (*为通讯作者）

1. Yang, N.*, Wu, Z., Chen, J., Wang, Y., Li, J, 2011. Multi-scale analysis of gas-liquid interaction and CFD simulation of gas-liquid flow in bubble columns. Chemical Engineering Science. doi:10.1016/j.ces.2011.02.029
2. 吴宗应, 杨宁*, 2010. 曳力模型对模拟鼓泡塔气含率的影响, 化工学报, 61(11), 2817-2822.
3. Yang, N.*, Chen, J., Ge, W., Li, J., 2010. A conceptual model for analyzing the stability condition and regime transition in bubble columns. Chemical Engineering Science 65, 517-526.
4. Chen, J, Yang, N.*, Ge, W., Li, J., 2009. Computational fluid dynamics simulation of regime transition in bubble columns incorporating the dual-bubble-size model. Industrial and Engineering Chemistry Research 48, 8172-8179.
5. Chen, J., Yang, N.*, Ge, W., Li, J., 2009. Modeling of regime transition in bubble columns with stability condition. Industrial and Engineering Chemistry Research 48, 290-301.
6. Yang, N.*, Chen, J., Zhao, H., Ge, W.*, Li, J.*, 2007. Explorations on the multi-scale flow structure and stability condition in bubble columns. Chemical Engineering Science 62, 6978-6991.
7. Zhao, H., Ge, W*, 2007. A theoretical bubble breakup model for slurry beds or three-phase fluidized beds under high pressure. Chemical Engineering Science 62, 109-115.
8. 赵辉. 气液(浆)反应器的多尺度模拟，博士学位论文，2007，北京
9. Yang, N.*, Wang, W., Ge, W., Li, J., 2004. Simulation of heterogeneous structure in a circulating fluidized-bed riser by combining the two-fluid model with the EMMS approach. Industrial and Engineering Chemistry Research 43, 5548-5561.
10. Yang N*, Wang W, Ge W, Li J. Analysis of Flow Structure and Calculation of Drag Coefficient for Concurrent-up Gas-Solid Flow. Chinese Journal of Chemical Engineering, 2003, 11(1): 79-84
11. Yang N*, Wang W, Ge W, Li J. Choosing Structure-dependent Drag Coefficient in Modeling Gas-Solid Two-Phase Flow. China Particuology, 2003, 1(1): 38-41
12. Yang N*, Wang W, Ge W, Li J. CFD Simulation of Concurrent-up Gas-Solid Flow  in Circulating fluidized beds with Structure-dependent Drag Coefficient. Chemical Engineering Journal, 2003, 96: 71-80.
13. 杨宁. 非均匀气固两相流动的计算机模拟--多尺度方法与双流体模型的结合，博士学位论文，2003，北京  

主要研究人员:  杨宁, 陈建华，王玉华，吴宗应，肖颀，舒树礼，蒋雪冬