基于XCT的氣固流化床布風(fēng)板射流特征研究

劉曙光，鐘文琪，陳曦

（能源熱轉(zhuǎn)換及其過(guò)程測(cè)控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇南京 210096）

引言

流化床鍋爐由于燃料適應(yīng)性廣、污染物排放低等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中[1-6]。在流化過(guò)程中，物料的混合特性[7-11]影響著顆粒間熱質(zhì)傳遞，進(jìn)而決定了流化床整體設(shè)備的運(yùn)行效率。布風(fēng)板上方射流現(xiàn)象主導(dǎo)著物料間的混合行為，因此對(duì)布風(fēng)板射流特征（如射流長(zhǎng)度、直徑和體積）開(kāi)展研究至關(guān)重要。

流化床內(nèi)部“射流”存在多種不同的定義，本文遵循Rowe 等[12]的闡述，即“射流”是在布風(fēng)板上方形成的穩(wěn)定空隙。以往流化床內(nèi)射流現(xiàn)象的相關(guān)研究取得了重要進(jìn)展[13-17]，例如Merry[18]采用視覺(jué)觀察法對(duì)二維流化床中射流的長(zhǎng)度特征開(kāi)展了大量實(shí)驗(yàn)研究，并成功擬合出平均射流長(zhǎng)度關(guān)聯(lián)式，但是視覺(jué)觀察的方式誤差較大，獲得的關(guān)聯(lián)式準(zhǔn)確性較差。Vaccaro 等[19-20]和Wen 等[21]分別采用壓力探針?lè)椒ê凸鈱W(xué)探針?lè)椒▽?duì)三維流化床中的射流幾何特征進(jìn)行測(cè)量，雖然成功獲得了射流幾何特征的具體參數(shù)，但這兩種方法都是侵入式測(cè)量技術(shù)，無(wú)法觀察射流的精確形狀特征并且會(huì)對(duì)流動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生影響。Rowe 等[12]和Cleaver 等[22]采 用X 射線透視成 像方法對(duì)三維流化床中的射流開(kāi)展透視成像實(shí)驗(yàn)，得到射流的2D圖像，該方法雖然避免了侵入式方法對(duì)流動(dòng)過(guò)程的影響，但局限于單個(gè)射流。由于實(shí)驗(yàn)手段和測(cè)量方法的不足，傳統(tǒng)對(duì)射流的相關(guān)研究大部分集中于單個(gè)水平或垂直射流，缺乏對(duì)流化床多孔布風(fēng)板射流現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)，另外傳統(tǒng)射流研究多集中于二維床或三維床近壁面區(qū)域[23-25]，難以獲得三維床內(nèi)部射流的結(jié)構(gòu)特征，制約了對(duì)流化床內(nèi)部流動(dòng)機(jī)理的深層認(rèn)識(shí)，從而阻礙了流化床裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與高效穩(wěn)定運(yùn)行。

本文通過(guò)構(gòu)建X 光層析成像（XCT）測(cè)量系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)手段難以獲得流化床射流三維介尺度流動(dòng)結(jié)構(gòu)的難題，并采用該測(cè)量系統(tǒng)對(duì)流化床內(nèi)布風(fēng)板射流開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究。首先基于錐束CT 三維重建算法（FDK）開(kāi)發(fā)了CT 三維重建軟件，實(shí)現(xiàn)了流化床內(nèi)氣固流動(dòng)結(jié)構(gòu)的三維重建。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了射流識(shí)別和量化算法，對(duì)布風(fēng)板上方的氣固射流進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，獲得了射流的形態(tài)結(jié)構(gòu)及一系列量化特征，包括射流長(zhǎng)度L、射流最大直徑D和射流體積V。最后通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)研究獲得了平均射流速度Uj、床料粒徑dp、布風(fēng)板孔口直徑d0和布風(fēng)板孔口均分面積A0對(duì)射流形態(tài)結(jié)構(gòu)和幾何特征的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與3D重建算法

1.1 X光層析成像實(shí)驗(yàn)裝置

圖1 為X 光層析成像實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，該實(shí)驗(yàn)裝置由流化床、X 光源、X 光探測(cè)器、空氣壓縮機(jī)、質(zhì)量流量計(jì)和數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)組成。流化床為實(shí)驗(yàn)裝置的主體部分，床室內(nèi)徑和高度分別為100 mm和900 mm，風(fēng)室高度為100 mm，其中風(fēng)室內(nèi)填充了直徑為10 mm的玻璃珠以滿足均勻布風(fēng)的要求。空氣壓縮機(jī)用來(lái)給流化床供氣，質(zhì)量流量計(jì)與數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)連接，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制質(zhì)量流量計(jì)實(shí)現(xiàn)空氣流量調(diào)控。X 光源和X 光探測(cè)器是該實(shí)驗(yàn)裝置的核心組件，X 光源發(fā)射的X 射線穿透流化床后投射在X 光探測(cè)器上，由X 光探測(cè)器拍攝并保存圖像到數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)。流化床可以繞軸心360°旋轉(zhuǎn)以完成X 光層析掃描成像，并由數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)流化床射流的三維重建。

圖1 X光層析成像實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of X-ray tomography experimental setup

1.2 床料特性和布風(fēng)板結(jié)構(gòu)參數(shù)

實(shí)驗(yàn)采用三種不同粒徑的石英砂作為床料，根據(jù)Geldart 顆粒分類(lèi)法，三種床料均為B 類(lèi)顆粒，石英砂的具體物性參數(shù)如表1所示。

表1 床料顆粒物性Table 1 Properties of bed material particles

布風(fēng)板直徑均為100 mm，其中孔口按照?qǐng)A形陣列的方式排列。如圖2 所示，A 類(lèi)型布風(fēng)板有37 個(gè)孔口，其中包含1 個(gè)中心孔口和三圈數(shù)量分別為6、12 和18 的孔口，相鄰兩圈孔口之間距離14 mm。B 類(lèi)型布風(fēng)板有61 個(gè)孔口，其中包含1 個(gè)中心孔口和四圈數(shù)量分別為6、12、18 和24 的孔口，相鄰兩圈孔口之間距離11 mm。A 類(lèi)型布風(fēng)板包含1、1.5 和2 mm 三種孔口直徑，B 類(lèi)型布風(fēng)板孔口直徑為1 mm，孔口均分面積為布風(fēng)板總面積均勻分配給每個(gè)孔口周?chē)拿娣e（A0=），布風(fēng)板具體參數(shù)如表2所示。

圖2 A類(lèi)型布風(fēng)板（a）；B類(lèi)型布風(fēng)板（b）Fig.2 A-type aeration plate(a);B-type aeration plate(b)

表2 布風(fēng)板結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 Structural parameters of aeration plate

1.3 3D重建算法及幾何位置誤差分析

本文基于錐形束CT濾波反投影算法（FDK）[26-30]采用自主開(kāi)發(fā)的軟件實(shí)現(xiàn)流化床的3D 重建。不同于平行束和扇形束CT 重建算法（FBP）基于物體的一維投影，錐形束CT重建算法是根據(jù)物體的二維投影重建圖像，這種重建方式一次投影的數(shù)據(jù)采集量更大，效率更高，而且更加符合實(shí)驗(yàn)所用錐形束X光的條件，最終獲得的重建圖像質(zhì)量更高。

在進(jìn)行X 光層析成像（XCT）實(shí)驗(yàn)時(shí)，X 光源焦點(diǎn)、流化床旋轉(zhuǎn)中心和X 光探測(cè)器中心理論上應(yīng)該保持在一條直線上，但是在調(diào)整三者位置關(guān)系時(shí)，由于人為校準(zhǔn)誤差的限制，很難保證三者精確地位于一條直線上，最終導(dǎo)致3D重建圖像存在幾何位置誤差。3D 重建算法的幾何位置誤差分析主要是衡量目標(biāo)物體重建圖像的幾何尺寸相對(duì)于真實(shí)尺寸的偏離程度。如圖3 所示，目標(biāo)物體采用3D 打印的立方體塑料框架，塑料框架邊長(zhǎng)為60 mm，每條邊長(zhǎng)由三個(gè)長(zhǎng)度為20 mm 的小立方體的邊長(zhǎng)組成，總共包含64個(gè)交點(diǎn)。誤差計(jì)算方法為：設(shè)塑料框架的一個(gè)角點(diǎn)為參考坐標(biāo)點(diǎn)，其坐標(biāo)為（0，0，0），其他交點(diǎn)根據(jù)與該角點(diǎn)空間相對(duì)位置確定相應(yīng)坐標(biāo)值。對(duì)該立方體框架進(jìn)行CT三維重建，根據(jù)像素點(diǎn)統(tǒng)計(jì)重建圖像中立方體框架64 個(gè)交點(diǎn)的坐標(biāo)值，設(shè)第i個(gè)交點(diǎn)的真實(shí)坐標(biāo)為（xi，yi，z）i，重建坐標(biāo)為，則誤差計(jì)算公式為：

圖3 立方體塑料框架Fig.3 Cube plastic frame

經(jīng)計(jì)算，該立方體框架的空間幾何誤差值為e=1.04%，滿足實(shí)驗(yàn)要求。

2 3D圖像處理方法

2.1 空隙率和CT圖像

在流化床流化過(guò)程中，由于氣泡穿過(guò)床體，氣泡的上升、聚并和破裂使床體不同空間位置處的空隙率處于動(dòng)態(tài)變化中，而布風(fēng)板射流處的空隙率則始終比較穩(wěn)定，比其他位置空隙率高，因此在流化床3D 重建圖像中，布風(fēng)板上方射流較為容易識(shí)別。采用已開(kāi)發(fā)的重建軟件重建出的原始3D 圖像的體素值代表CT強(qiáng)度，流化床內(nèi)某點(diǎn)對(duì)X射線的衰減度越強(qiáng)，重建出的該點(diǎn)CT強(qiáng)度值越小，本文基于空床、靜態(tài)堆積床和流化床重建圖像的CT 強(qiáng)度值之間的理論關(guān)系將流化床重建圖像的CT 強(qiáng)度值轉(zhuǎn)換為局部時(shí)均空隙率值，根據(jù)局部時(shí)均空隙率大小識(shí)別射流。

局部時(shí)均空隙率可通過(guò)流化床流化狀態(tài)下X射線衰減系數(shù)（μ）f、床料顆粒X射線衰減系數(shù)（μp）和氣體X 射線衰減系數(shù)（μg）來(lái)確定，由于X 射線衰減系數(shù)與CT強(qiáng)度值成正比，因此可以根據(jù)流化床流化狀態(tài)下的CT 強(qiáng)度值（I）f、床料顆粒CT 強(qiáng)度值（Ip）和氣體CT強(qiáng)度值（Ig）來(lái)計(jì)算局部空隙率。

由于單個(gè)床料顆粒的粒徑較小，且是非均勻的，因此無(wú)法確定單個(gè)床料顆粒的CT 強(qiáng)度，但是，根據(jù)靜態(tài)堆積床空隙率計(jì)算公式，床料顆粒的CT強(qiáng)度值可以由靜態(tài)堆積床的空隙率（εb）、靜態(tài)堆積床的CT 強(qiáng)度值（Ib）和氣體的CT 強(qiáng)度值（Ig）來(lái)表示。

最終，流化床在流化狀態(tài)下的局部時(shí)均空隙率（εg）可由流化床流化狀態(tài)下的CT 強(qiáng)度值（I）f、靜態(tài)堆積床的CT 強(qiáng)度值（Ib）、氣體CT 強(qiáng)度值（Ig）和靜態(tài)堆積床的空隙率（εb）計(jì)算獲得。

在進(jìn)行X 光層析成像（XCT）實(shí)驗(yàn)時(shí)，設(shè)定流化床每次旋轉(zhuǎn)1°，兩次旋轉(zhuǎn)間隔時(shí)間為1 s，旋轉(zhuǎn)一周大約需要6 min，并產(chǎn)生360 個(gè)投影方向，每個(gè)投影方向X 光探測(cè)器連續(xù)采集5 張X 射線衰減圖像，并取其平均值作為該投影方向的最終投影圖，因此3D 重建圖像所得到的流化床內(nèi)部形態(tài)結(jié)構(gòu)和流動(dòng)特征均為時(shí)均值。重建區(qū)域?yàn)榱骰膊硷L(fēng)板至一個(gè)床高（100 mm）的區(qū)域，該區(qū)域具體尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，該區(qū)域3D 重建體素（空間三維像素，對(duì)應(yīng)平面二維像素）數(shù)量為200×200×200，每個(gè)體素邊長(zhǎng)為0.5 mm，因此最終重建出的流化床區(qū)域內(nèi)部空間分辨率為0.5 mm。在最終的圖像數(shù)據(jù)分析方面，選擇射流3D 重建圖像和流化床3D 重建圖像的x切片進(jìn)行研究，在3D 重建圖像中，可以清晰地看到射流在整個(gè)布風(fēng)板上的分布情況和三維形態(tài)特征，3D 重建圖像x切片穿過(guò)流化床中心線，可以展示射流垂直方向截面的二維形態(tài)特征。

2.2 射流識(shí)別和量化

在流化床流化過(guò)程中，由于布風(fēng)板上方射流的空隙率較高，所以本文采用目標(biāo)體素空隙率與該體素鄰域內(nèi)空隙率平均值比較法來(lái)識(shí)別射流體素。如圖4 所示，以布風(fēng)板中心射流體素為例，對(duì)于3D空隙率圖像的每一個(gè)橫截面，以目標(biāo)體素為圓心，半徑為10 mm 的圓形區(qū)域作為該體素的鄰域，計(jì)算該鄰域內(nèi)空隙率的平均值，鄰域半徑取10 mm 是為了最小化周?chē)淞黧w素的影響而選取的最大鄰域，這種鄰域選取方法更能體現(xiàn)出射流體素值與鄰域體素平均值在數(shù)值上的差異，然后比較目標(biāo)體素值與鄰域體素平均值，如果目標(biāo)體素值高于鄰域體素平均值并且高出10%以上，該目標(biāo)體素即定義為射流體素，以白色體素表示，否則定義為非射流體素，以黑色體素表示。遍歷3D 空隙率圖像的每一個(gè)體素并對(duì)其進(jìn)行射流識(shí)別，獲得3D 射流二值圖像。在二值圖像中，可以清楚地看到每個(gè)射流，但由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中X 光源產(chǎn)生的量子噪聲以及圖像采集過(guò)程中產(chǎn)生的熱電子噪聲等一系列不可控因素，二值圖像中除了射流體素外，還存在許多其他噪點(diǎn)，本文采用圖像形態(tài)學(xué)膨脹、腐蝕等操作，在不影響射流體素的情況下去除其他小區(qū)域非射流體素，圖5（a）為流化床3D 重建圖像x切片原始灰度圖，圖5（b）為經(jīng)射流識(shí)別算法處理獲得的射流二值圖像，從二值圖中可以清晰地看到射流的形態(tài)結(jié)構(gòu)。

圖4 射流橫截面Fig.4 Jet cross section

圖5 射流灰度圖（a）；射流二值圖（b）Fig.5 Jet gray image(a);Jet binary image(b)

射流量化之前首先要定義射流的形狀，圖6 為通過(guò)X 光層析成像（XCT）實(shí)驗(yàn)重建的3D 射流，根據(jù)該3D射流的形狀特征，定義射流近似為圓錐形。本文針對(duì)射流長(zhǎng)度L、最大直徑D、體積V三個(gè)特征進(jìn)行量化。射流長(zhǎng)度定義為布風(fēng)板至單個(gè)射流所能達(dá)到的最大高度之間的距離，射流最大直徑定義為單個(gè)射流最大橫截面面積的等效直徑，射流體積定義為單個(gè)射流所有體素體積之和，最終對(duì)布風(fēng)板上所有射流的量化特征取平均得到某流化狀態(tài)下的平均射流長(zhǎng)度、平均射流最大直徑、平均射流體積。

圖6 射流3D重建圖像Fig.6 Jet 3D reconstruction image

3 結(jié)果與討論

本文采用已構(gòu)建的X 光層析成像（XCT）測(cè)量方法對(duì)流化床布風(fēng)板射流特征開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究，分析不同流化風(fēng)速下床料粒徑dp、布風(fēng)板孔口直徑d0和布風(fēng)板孔口均分面積A0對(duì)射流長(zhǎng)度L、最大直徑D、體積V和膨脹角θ的影響規(guī)律。對(duì)于粒徑0.20～0.35 mm 床料以及0.35～0.45 mm 床料，實(shí)驗(yàn)采用的流化特征數(shù)Uj/Umf=1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、5.5、6、6.5、7，對(duì)于粒徑為0.45～0.60 mm 的床料，實(shí)驗(yàn)采用的流化特征數(shù)Uj/Umf=1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5。床層初始高度與床徑相同，為100 mm。所有實(shí)驗(yàn)流化風(fēng)速均采用降速法，從最大流化特征數(shù)對(duì)應(yīng)的工況點(diǎn)開(kāi)始，待該流化狀態(tài)穩(wěn)定后，對(duì)其進(jìn)行X 光層析成像（XCT）實(shí)驗(yàn)，然后流化風(fēng)速降低到下一個(gè)工況點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，直至流化風(fēng)速降到實(shí)驗(yàn)設(shè)定的最小流化風(fēng)速。

3.1 床料粒徑對(duì)射流特征的影響

圖7 和圖8 分別為布風(fēng)板類(lèi)型A-1，d0=1 mm 時(shí)三種床料粒徑的射流x切片灰度圖/二值圖和射流3D 圖，圖中橫軸為三種床料粒徑（0.20～0.35 mm、0.35～0.45 mm、0.45～0.60 mm），縱軸為三種流化特征數(shù)U/Um（f1、3、5）。從圖中可以明顯看到均勻分布于布風(fēng)板上方的射流現(xiàn)象，觀察圖7 和圖8 的每一列可以發(fā)現(xiàn)，隨著流化特征數(shù)U/Umf的增加，射流長(zhǎng)度L、最大直徑D和體積V都不斷提高。對(duì)比圖7 和圖8 的每一行射流形態(tài)可以發(fā)現(xiàn)，在相同的U/Umf下，不同床料粒徑產(chǎn)生的射流有明顯的差異，床料粒徑越小，射流形態(tài)越細(xì)長(zhǎng)，具體表現(xiàn)為D和V越小，這是因?yàn)榇擦狭皆叫?，最小流化速度越小，在相同U/Umf下平均射流速度越小。當(dāng)U/Umf較小時(shí)，例如當(dāng)U/Umf=1 時(shí)，L分布極不均勻，大部分L很短，只有少部分射流可以滲透到流化床內(nèi)部較深處，這是因?yàn)榱骰L(fēng)量較小時(shí)，布風(fēng)板孔口風(fēng)量分配不均，大部分風(fēng)量集中在少部分孔口，其余孔口的風(fēng)量較小。觀察圖7 中的射流灰度圖可以發(fā)現(xiàn)，部分鄰近射流在上升至一定高度時(shí)相互靠近，最終合并形成氣泡上升，這表明布風(fēng)板上方鄰近射流具有相互靠近并融合的傾向，同時(shí)也解釋了流化床內(nèi)初始?xì)馀莸漠a(chǎn)生。

圖7 不同床料粒徑下射流x切片灰度圖/二值圖Fig.7 Jet x-slice gray image/binary image with different bed material size

圖8 不同床料粒徑下射流3D圖Fig.8 Jet 3D image with different bed material size

圖9 橫軸為平均射流速度U（j布風(fēng)板孔口風(fēng)速），縱軸為平均射流長(zhǎng)度L。從圖中可以看出，在相同Uj下，相對(duì)于較大的床料粒徑，較小的床料粒徑所形成的L更長(zhǎng)。隨著Uj的增加，三種床料粒徑的L先呈上升趨勢(shì)，并且在Uj較小時(shí)L增加較快，當(dāng)Uj增加到一定程度時(shí)L趨于穩(wěn)定，這是因?yàn)樯淞髟谶_(dá)到一定高度后，射流頂部開(kāi)始形成氣泡脫離射流，L不再增加。對(duì)于0.20～0.35 mm 的床料粒徑，L并不是一直處于上升趨勢(shì)，在流化特征數(shù)U/Umf=2 時(shí)，L增加到最大值，隨后L減小，然后上升，最后趨于穩(wěn)定狀態(tài)。圖10 表示平均射流最大直徑D隨平均射流速度Uj的增加而增大，并且與相同U/Umf下床料粒徑越小，D越小的規(guī)律不同，在相同Uj下，不同床料粒徑所對(duì)應(yīng)的D差異較小，床料粒徑減小時(shí)，D輕微增加。隨著Uj的增加，射流體積V逐漸增加，在相同Uj下，床料粒徑越小，V越大，在床料粒徑為0.20～0.35 mm 時(shí)，由于存在L的局部最大值，同樣存在V的局部最大值。圖11顯示了平均射流體積V隨平均射流速度Uj的變化趨勢(shì)。

圖9 平均射流長(zhǎng)度L隨平均射流速度Uj的變化趨勢(shì)Fig.9 Variation of average jet length L with jet velocity Uj

圖10 平均射流最大直徑D隨平均射流速度Uj的變化趨勢(shì)Fig.10 Variation of average jet diameter D with jet velocity Uj

圖11 平均射流體積V隨平均射流速度Uj的變化趨勢(shì)Fig.11 Variation of average jet volume V with jet velocity Uj

3.2 布風(fēng)板孔口直徑對(duì)射流特征的影響

圖12 表示的是布風(fēng)板類(lèi)型A-1，0.35 mm＜dp＜0.45 mm 時(shí)不同孔口直徑下射流3D 圖，觀察每一行圖像中射流的形態(tài)可以發(fā)現(xiàn)，在相同的流化特征數(shù)U/Umf下，孔口直徑越大，射流長(zhǎng)度L、最大直徑D和體積V就越小，這是因?yàn)樵谙嗤牧骰L(fēng)量下，孔口直徑越大，平均射流速度Uj和通過(guò)布風(fēng)板孔口的氣體動(dòng)量越小，形成的L、D和V就越小。當(dāng)U/Umf=1 時(shí)，相比于流化床壁面附近的射流，布風(fēng)板中心區(qū)域的射流現(xiàn)象更加明顯，而當(dāng)U/Umf=3、5 時(shí)，可以觀察到布風(fēng)板上靠近壁面的兩圈射流現(xiàn)象更加明顯，這表明當(dāng)流化風(fēng)速較小時(shí)，大部分流化風(fēng)趨向于從布風(fēng)板中心區(qū)域的孔口通入流化床，隨著流化風(fēng)速的提高，布風(fēng)板中心孔口的風(fēng)速增大，空氣流動(dòng)阻力增大，導(dǎo)致部分風(fēng)量向布風(fēng)板外圈孔口區(qū)域擴(kuò)散，并最終在風(fēng)室壁面的限制下，從風(fēng)室壁面附近的孔口通入流化床，導(dǎo)致布風(fēng)板外圈孔口風(fēng)量增大，形成更為明顯的射流現(xiàn)象。

圖12 不同孔口直徑下射流3D圖Fig.12 Jet 3D image with different orifice diameter

圖13～圖15表示的是不同孔口直徑下平均射流長(zhǎng)度L、最大直徑D和體積V隨平均射流速度Uj的變化趨勢(shì)，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，L、D和V隨平均射流速度Uj的增加不斷提高?？卓谥睆皆酱?，L、D和V就越大，這是因?yàn)樵谙嗤腢j下，孔口直徑越大，流化風(fēng)量就越大，因而產(chǎn)生的射流幾何特征就越大。

圖13 平均射流長(zhǎng)度L隨平均射流速度Uj的變化趨勢(shì)Fig.13 Variation of average jet length L with jet velocity Uj

圖14 平均射流最大直徑D隨平均射流速度Uj的變化趨勢(shì)Fig.14 Variation of average jet diameter D with jet velocity Uj

圖15 平均射流體積V隨平均射流速度Uj的變化趨勢(shì)Fig.15 Variation of average jet volume V with jet velocity Uj

3.3 布風(fēng)板孔口均分面積對(duì)射流特征的影響

圖16 表示的是d0=1 mm，0.35 mm＜dp＜0.45 mm時(shí)不同孔口均分面積下射流3D圖，Ⅰ列圖像對(duì)應(yīng)的是A-1 型布風(fēng)板，孔口數(shù)量為37，孔口均分面積為212 mm2，Ⅱ列圖像對(duì)應(yīng)的是B-1 型布風(fēng)板，孔口數(shù)量為61，孔口均分面積為129 mm2。對(duì)比Ⅰ、Ⅱ兩列圖像可以發(fā)現(xiàn)，在相同的流化特征數(shù)U/Umf下，當(dāng)孔口均分面積降低時(shí)，射流幾何特征（L、D、V）明顯減小，這是因?yàn)榱骰L(fēng)量相同，孔口均分面積較小的布風(fēng)板孔口數(shù)量較多，因此每個(gè)孔口的Uj更小。觀察Ⅱ列圖像可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于B-1 型布風(fēng)板，當(dāng)U/Umf=1 時(shí)，布風(fēng)板最外圈孔口并沒(méi)有產(chǎn)生射流現(xiàn)象，當(dāng)U/Umf=3、5時(shí)，布風(fēng)板最外圈孔口雖然有射流現(xiàn)象產(chǎn)生，但射流現(xiàn)象并不明顯，相比于其他射流，布風(fēng)板最外圈射流的幾何特征（L、D、V）較小，這表明B 型布風(fēng)板最外圈射流區(qū)域可能會(huì)產(chǎn)生死區(qū)，導(dǎo)致顆粒間不能充分混合，在實(shí)際工業(yè)流化床中會(huì)影響顆粒間的熱量傳遞。

圖16 不同孔口均分面積下射流3D圖Fig.16 Jet 3D image with different orifice average area

圖17～圖19 表示的是不同孔口均分面積下L、D和V隨Uj的變化趨勢(shì)，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，L、D和V隨Uj的增加不斷提高，在同一Uj下，孔口均分面積越大，L、D和V就越大。觀察圖17、圖19可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Uj較小時(shí)，不同孔口均分面積下的L和V差距較小，當(dāng)Uj較大時(shí)，L和V差距較大，這表明在孔口均分面積較大的情況下，當(dāng)Uj增加時(shí)，L和V增加的速度較快。

圖17 平均射流長(zhǎng)度L隨平均射流速度Uj的變化趨勢(shì)Fig.17 Variation of average jet length L with jet velocity Uj

圖18 平均射流最大直徑D隨平均射流速度Uj的變化趨勢(shì)Fig.18 Variation of average jet diameter D with jet velocity Uj

圖19 平均射流體積V隨平均射流速度Uj的變化趨勢(shì)Fig.19 Variation of average jet volume V with jet velocity Uj

3.4 射流長(zhǎng)度關(guān)聯(lián)式

根據(jù)已有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用最小二乘法擬合流化床布風(fēng)板射流長(zhǎng)度L關(guān)聯(lián)式。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，射流長(zhǎng)度L與布風(fēng)板孔口直徑d0，布風(fēng)板孔口均分面積A0，平均射流速度Uj和床料粒徑dp密切相關(guān)，所以關(guān)聯(lián)式以d0，A0，Uj，Umf為自變量，其中Umf為床料最小流化速度，用來(lái)代替床料顆粒直徑dp、密度ρp、流化風(fēng)密度、黏度等參數(shù)，并以無(wú)量綱形式給出具體函數(shù)形式：L=F（d0，A0，Uj，Um）f?；?3 種流化特征數(shù)（U/Umf=1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、5.5、6、6.5、7），兩種床料粒徑（0.35 mm＜dp＜0.45 mm、0.45 mm＜dp＜0.60 mm），三種布風(fēng)板孔口直徑（d0=1、1.5、2 mm），兩種布風(fēng)板孔口均分面積（A0=212、129 mm2）開(kāi)展了55 組不同工況下流化床X 光層析成像實(shí)驗(yàn)，獲得不同工況下布風(fēng)板上方射流的具體長(zhǎng)度值，最終擬合出流化床布風(fēng)板射流長(zhǎng)度L關(guān)聯(lián)式：

式中，g為重力加速度，m/s2。

定義變量的指數(shù)因子為該變量的關(guān)聯(lián)系數(shù)，分析射流長(zhǎng)度L關(guān)聯(lián)式可以發(fā)現(xiàn)，床料最小流化速度Umf的關(guān)聯(lián)系數(shù)為-0.08，這表明射流長(zhǎng)度L與床料最小流化速度Umf成反比，而最小流化速度Umf的主要影響因素是床料粒徑，即床料粒徑越小，射流長(zhǎng)度L越大，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。在射流長(zhǎng)度L關(guān)聯(lián)式中，平均射流速度Uj、孔口直徑d0和孔口均分面積A0的關(guān)聯(lián)系數(shù)分別為0.32、0.48 和0.20，這表明射流長(zhǎng)度L與平均射流速度Uj、孔口直徑d0和孔口均分面積A0成正比，符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖20～圖22 為射流長(zhǎng)度L散點(diǎn)圖和擬合關(guān)聯(lián)式曲線圖，從圖中可以明顯觀察到，射流長(zhǎng)度L曲線較好地?cái)M合了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。圖23為在0.35 mm＜dp＜0.45 mm，d0=1 mm，A0=212 mm2時(shí)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、擬合關(guān)聯(lián)式、Blake 等[25]和Rees 等[13]給出的關(guān)聯(lián)式對(duì)比圖，從圖中可以明顯看到，Blake 等和Rees 等兩種關(guān)聯(lián)式預(yù)測(cè)的射流長(zhǎng)度值小于本文中實(shí)驗(yàn)測(cè)量的數(shù)值，不能很好地預(yù)測(cè)射流長(zhǎng)度值。本文借鑒Rees 等關(guān)聯(lián)式的形式，對(duì)變量的參數(shù)進(jìn)行修正，使得關(guān)聯(lián)式能較好地?cái)M合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步提升了射流長(zhǎng)度關(guān)聯(lián)式的準(zhǔn)確性。

圖20 不同床料粒徑下射流長(zhǎng)度散點(diǎn)圖和擬合曲線Fig.20 Jet length scatter plot and fitting curve with different bed material size

圖21 不同孔口直徑下射流長(zhǎng)度散點(diǎn)圖和擬合曲線Fig.21 Jet length scatter plot and fitting curve with different orifice diameter

圖22 不同孔口均分面積下射流長(zhǎng)度散點(diǎn)圖和擬合曲線Fig.22 Jet length scatter plot and fitting curve with different orifice average area

圖23 不同射流長(zhǎng)度關(guān)聯(lián)式對(duì)比Fig.23 Comparison of different jet length correlations

4 結(jié)論

采用X 光層析成像測(cè)量方法（XCT）對(duì)不同平均射流速度Uj、床料粒徑dp、孔口直徑d0和孔口均分面積A0下流化床中布風(fēng)板射流的形態(tài)結(jié)構(gòu)和幾何特征開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：

隨著平均射流速度Uj的增加，平均射流長(zhǎng)度L、最大直徑D和體積V呈上升趨勢(shì)。當(dāng)平均射流速度Uj較小時(shí)，不同射流間的形態(tài)結(jié)構(gòu)和幾何特征差異較大，少部分射流噴射速度較大，動(dòng)量較大，可以滲透至流化床較深處，大部分射流由于動(dòng)量較小，只能?chē)娚渲敛硷L(fēng)板上方較短距離，隨著平均射流速度Uj的提高，不同射流間形態(tài)結(jié)構(gòu)和幾何特征趨于一致。布風(fēng)板上方鄰近射流具有相互靠近并合并形成氣泡上升的傾向。

在同一平均射流速度Uj下，平均射流長(zhǎng)度L、最大直徑D和體積V與床料粒徑dp成反比，與孔口直徑d0和孔口均分面積A0成正比。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)成功擬合了無(wú)量綱射流長(zhǎng)度關(guān)聯(lián)式，能較好地預(yù)測(cè)不同平均射流速度Uj、床料粒徑dp、孔口直徑d0和孔口均分面積A0下的射流長(zhǎng)度L。