1.5　多相體系

流化床研究

單純的流體系統或顆粒系統比較容易處理，但是如果既要考慮流體運動又要考慮顆粒運動，這種氣固或者液固兩相流動就構成了更為復雜的顆粒流體系統。在現代過程工業里一類叫流化床的設備中經常可以看到這種多相體系。

流化床是一種利用氣體或液體通過顆粒層并使顆粒懸浮運動的裝置。在流化床中顆粒將出現類似于流體的行為，稱為流態化。在自然界中，大風揚塵、沙漠遷移、河流夾帶泥沙等，都是典型的流態化現象。過程工業裝置流態化的主要目的是增強顆粒與周圍流體的混合效果，提高傳熱、傳質效率。

各大石油化工企業目前普遍能看到的催化裂化反應器就是非常典型的流態化裝置。這一裝置是為了把價值比較低的重質油在催化劑作用下轉化成價值較高的輕質液體燃料如汽油、柴油等。催化裂化反應器里的固相主要是粉末狀的催化劑，氣相就是石油原料蒸氣。裝填在垂直管道中的催化劑形成顆粒床層，反應氣體流過床層，顆粒在流體的作用下被懸浮或輸送。在各大火力發電企業目前普遍采用的大型循環流化床燃燒鍋爐也是流態化技術的杰出應用范例。

流化床內的顆粒流體系統運動十分復雜，隨著氣體速度的增加，流動結構可能發生一系列的轉折變化，形成膨脹、鼓泡、湍動、快速流化、稀相輸送等典型的流域特征，如圖1.10所示，很難用簡單的模型進行描述。

多尺度方法

顆粒-流體運動的復雜性對于數學模型和程序計算提出了很高的挑戰。為了應對這一挑戰，科學家提出了很多解決方法，其中能量最小多尺度方法[7-8]（EMMS）是中國科學家提出的、應用較為廣泛的一種。

依據EMMS模型，將反應器定義為宏尺度，將顆粒聚團定義為介尺度，單個顆粒定義為微尺度。根據不同控制機制在競爭中協調的原理，提出了穩定性條件，建立了描述顆粒-流體復雜系統的變分多尺度模型。該模型可以預測流態化過程中的流型過渡和結構突變現象。隨后又應用擬顆粒方法對穩定性條件進行了證明，夯實了EMMS原理的基礎，如圖1.11所示。

EMMS原理從氣固兩相流進一步推廣到氣液固、湍流、納微流動、泡沫、顆粒流以及乳液等更多復雜系統，并直接推動了介科學的發展[10]。從介科學的角度，發現各種復雜系統都存在著類似的穩定性原理，即兩種極值趨勢在競爭中協調，形成穩定的結構。據此，歸納形成了變分多尺度方法的理論框架，在數學上，它可以表達為一種通用的多目標變分問題。在此基礎上形成了新的“EMMS計算模式”，即模擬宏尺度和介尺度的行為，應用穩定性條件進行約束；研究微尺度行為則應用離散模擬描述，這樣可以同時保證模擬的效率和精度，如圖1.12所示。這一計算模式，正是提高計算效率和精度的關鍵。這種擴展的EMMS模型與離散模擬相結合，在方法上實現了問題、模型、軟件和硬件四者的結構與邏輯一致性，為過程工程的集成設計提供了解決方案。