D0I:10.13374/j.is8n1001-053x.2004.06.044 第26卷第6期 北京科技大学学报 Vol.26 No.6 2004年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2004 气固流化床系统非线性机理研究进展 张延平12王立) 1)北京科技大学机械工程学院，北京1000832)首钢技术研究院，北京100041 摘要从近年来气固流化床两相流动的研究成果出发，总结了流化床非线性机理研究的 方向.混沌理论研究表明流化床系统是确定型的混沌系统，而耗散结构理论的结果认为流化 床系统属于非平衡热力学系统.对流化床系统的随机力分析将随机理论的方法运用到流化 床流动机理和气泡分布研究中，有助于揭示流化床内部非线性机理和特性， 关键词流态化：混沌：耗散结构：随机力 分类号TB126 随着对流态化系统研究的深入，相关学科的 解为可逆和耗散，过程分解为有序和无序，结构 关联和影响日益密切，流态化技术与其他学科的 分解为不同尺度等：二是将系统处理为尺度差别 融合成为近些年的研究方向.特别是非线性科 很大的两种介质的相互作用并进行计算机图型 学的快速发展，使我们能够突破以往决定论的 仿真. 思维，进一步探讨流态化的本质. 从流态化产生和流化现象来看，流化床系统 由于流化床反应器中受到诸如流体湍动、气 属于非平衡热力学的范畴，因此在流态化研究 相搅动以及流化颖粒运动等许多复杂因素的影 中，混沌理论、协同学、突变理论和耗散结构理论 响，其流动行为呈现出高度的无规性、随机性和 已经或正在引起人们的重视，且在某些方面已经 结构不稳定性（多态性），是非线性瞬态系统列， 被一些学者应用，取得一定的成果.另外，拓扑 若仅采用传统的基于线性原则的分析技术，不仅 学、复杂性理论也在流态化研究中有所应用. 不能深入地从本质上揭示多相反应器内动态的、 非线性的多相流动及传递性能和流动机制，而且 2流化床系统的混沌研究 使基于稳态处理的多相反应器经验放大法、流动 混沌理论是近年来发展起来的研究非线性 结构模型放大法和计算流体力学(CFD)模型放 动力系统的新方法，主要是考察非周期的、具有 大法具有较大的局限性.因此，引入非线性理 渐进的自相似有序性的现象，即所谓的混沌行 论，运用新方法和新工具探讨流态化系统的机理 为.非线性混沌技术是当前各学科研究中的前沿 是十分必要的. 课题，它提供了新的视角和工具，以把握自然界 1非线性科学进展与流态化系统 中广泛存在的复杂的非线性动态过程，，.产生 混沌的最根本原因在于系统的非线性动力因素， 颗粒流体系统是具有混沌、耗散、有序与无 有研究者尝试用混沌理论去研究颗粒流体系统 序等复杂特征的非线性系统，文献[11]建立了反 中的现象，并取得了一些定性和定量的结果4. 映颗粒流体系统非线性特征的数学模型，定性地 由于多相流的行为是一个典型的混沌过程 描述了颗粒流体系统的历经性及其各种流动状 和非线性过程，对于各种床内参数（压力脉动值、 态中的主要非线性特征.同时，有研究者四提出 局部空隙率、气速、颗粒速度等)的动态变化过程 认识非线性行为有两种途径：一是把系统进行多 的剖析，可能使研究者获得更深层次的信息，因 方面的分解，即运动分解为极值和动态，能耗分 而近年来已引起广泛的兴趣. 收稿日期200401-04张延平男，33岁，博士研究生 混沌理论用来研究确定性系统中出现的貌 *教育部科技重点项目QNo.00020) 似随机的非线性行为，其中心内容就是利用重构第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 ’ 气固流化床系统非线性机理研究进展 诀 子正 平 ， 不 六 甲 产 、 、 ， 哪 ，， 一‘ 北 京 科 技大 学机械 工 程 学 院 ， 北 京 首钢 技术研 究院 ， 北 京 摘 要 从近 年来气 固流 化床 两 相 流 动 的研 究成 果 出 发 ， 总 结 了流 化床 非 线 性 机理 研 究的 方 向 混 沌 理 论研 究表 明流 化 床 系统 是 确 定 型 的混 沌 系统 ， 而 耗 散结 构 理 论 的结果 认 为流 化 床 系统 属 于 非 平 衡热 力 学 系统 对 流 化床 系统 的 随机 力 分 析 将 随机 理 论 的方 法 运 用 到 流 化 床 流动 机 理 和 气 泡 分 布研 究 中 ， 有 助 于 揭 示 流 化 床 内部 非线 性 机理 和 特 性 关键词 流 态 化 混 沌 耗 散结 构 随机 力 分 类号 随着对 流态 化 系 统研 究 的深 入 ， 相 关 学科 的 关联和 影 响 日益密 切 ， 流 态化 技 术 与其他 学科 的 融合成 为近 些年 的研 究 方 向 ‘困 特 别 是 非线性科 学 【 的快 速 发展 ， 使 我 们 能够 突 破 以往 决 定 论 的 思 维 ， 进 一 步探 讨流 态 化 的本 质 由于流 化床 反应 器 中受 到诸 如 流 体 湍 动 、 气 相 搅 动 以及 流 化 颗 粒 运 动 等 许 多 复 杂 因 素 的影 响 ， 其 流 动 行 为 呈 现 出高度 的无 规 性 、 随机 性 和 结 构 不 稳 定 性 多态 性 ， 是 非 线 性 瞬态 系 统 【民 ” 若 仅采用传 统 的基 于 线性 原 则 的分析 技术 ， 不 仅 不 能深 入地 从 本质 上 揭 示 多相 反应器 内动 态 的 、 非线性 的多相 流动及 传 递 性 能和 流 动机 制 ， 而 且 使基 于 稳 态 处 理 的多相 反应 器 经验 放 大法 、 流 动 结 构模 型放 大 法 和 计 算流 体 力 学 模 型放 大 法 具 有较 大 的局 限性 ‘ 因此 ， 引入 非 线性 理 论 ， 运用 新方法 和 新工 具探 讨流 态化 系统 的机理 是 十 分 必 要 的 解 为 可 逆 和 耗 散 ， 过程 分解 为有 序 和 无序 ， 结构 分解 为 不 同尺 度 等 二 是将 系 统 处 理 为尺度 差 别 很 大 的两 种 介 质 的相 互 作 用 并 进 行 计 算 机 图型 仿 真 从流 态 化 产 生 和 流化 现 象 来 看 ， 流化 床 系 统 属 于 非 平 衡 热 力 学 的 范 畴 ， 因 此 在 流 态 化研 究 中 ， 混沌 理 论 、 协 同学 、 突变 理论 和 耗 散 结构 理论 己 经或 正 在 引起 人们 的重 视 ， 且 在某 些 方面 己 经 被 一 些 学 者 应 用 ， 取 得 一 定 的成 果 另 外 ， 拓 扑 学 、 复 杂性 理 论 也 在 流 态化 研 究 中有 所 应 用 非 线 性科 学进 展 与流 态 化 系统 颗 粒 流 体 系 统 是 具 有 混沌 、 耗 散 、 有 序 与无 序 等 复 杂特 征 的非线 性 系 统 ， 文 献 【川 建 立 了反 映颗粒 流 体系统 非线 性特 征 的数 学模 型 ， 定性 地 描 述 了颗 粒 流 体 系 统 的历 经 性 及 其 各 种 流 动 状 态 中 的主 要 非 线 性特 征 同时 ， 有研 究者 ‘ 提 出 认 识 非线性 行 为有两种 途径 一 是 把 系 统进 行 多 方 面 的分解 ， 即运 动 分 解 为极 值 和 动 态 ， 能耗 分 收稿 日期 斗刁 一 张 延 平 男 ， 岁 ， 博 士 研 究 生 教育 部科技重 点项 目伽 流 化床 系统 的混 沌 研 究 混 沌 理 论 是 近 年 来 发 展 起 来 的研 究 非 线 性 动 力 系 统 的新 方 法 ， 主 要 是考 察 非 周 期 的 、 具 有 渐 进 的 自相 似 有 序 性 的现 象 ， 即所 谓 的混 沌 行 为 非线 性 混沌 技 术 是 当前 各 学科研 究 中 的前沿 课 题 ， 它 提 供 了新 的视 角和 工 具 ， 以把 握 自然 界 中广 泛 存 在 的复 杂 的非 线 性 动 态 过 程 「， ’ 产 生 混沌 的最 根本 原 因在 于 系统 的非 线性 动 力 因素 有 研 究 者 尝试 用 混 沌 理 论 去 研 究 颗 粒 流 体 系 统 中 的现 象 ， 并取得 了一 些 定性 和 定量 的结果‘ 小 ， 由于 多 相 流 的行 为 是 一 个 典 型 的混 沌 过 程 和 非线 性过程 ， 对 于 各种 床 内参 数 压 力脉动值 、 局 部 空 隙率 、 气 速 、 颗 粒速 度 等 的动 态变化过程 的剖 析 ， 可 能使研 究 者 获得 更 深 层 次 的信 息 ， 因 而 近 年 来 己 引起 广 泛 的兴 趣 混 沌 理 论 用 来 研 究 确 定 性 系 统 中 出现 的貌 似 随机 的非线性行 为 ， 其 中心 内容就 是利用 重 构 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2004．06．044