在工业气化炉运行中发现,具有一定长径比的细长颗粒会桥接和沉积在洗涤冷却室内构件上,严重时可造成洗涤冷却室内堵渣、液位波动和粗煤气带液等问题,从而影响气化炉的稳定运行。本文以此为研究背景,采用尼龙短纤为模拟物,对含细长颗粒的洗涤冷却室内的气-液-固多相分布特性进行了深入的冷态实验研究,以期为含细长颗粒的洗涤冷却室内的流体力学研究提供理论借鉴和工程实践指导。(1)采用直接取样法、双探头电导探针法和高速摄像法,对洗涤冷却室内细长颗粒和气体的局部分布特性进行研究。结果表明:洗涤冷却室液池下部的液固流动区可分为:气相湍动作用区、回流区和二次流动区。在细长颗粒的阻碍和团聚效应影响下,液固流动区的轴向局部固含率呈现波动分布,径向局部固含率分布则受细长颗粒的横向漂移速度所影响;气相湍动作用区和回流区的径向局部固含率的波动较大,而二次流动区呈现为环状流动,其径向局部固含率在流体和细长颗粒的“壁面效应”影响下,呈现中心高、边壁低的特点。而洗涤冷却室液池上部的气液固混合区则可分为:下降管出口区、破泡板区和泡沫层区。在负浮力和逆压力梯度的作用下,下降管出口区的气体沿下降管外壁向上呈羽流流动;破泡板区的局部气含率的径向分布呈明显的近中心峰分布,与内构件和流动形态等密切相关;泡沫层区主要发生气泡的聚并与破碎、液滴的形成与飞溅。(2)利用截面面积法和体积平均法得到截面平均气含率和床层平均气含率,根据局部气含率和无量纲最大气泡弦长得到局部流型图,分析了表观气速、纤维体积浓度和纤维长径比对床层平均气含率的影响。结果表明:本文提出的修正的Kataoka&Ishii泡状流半经验关联式可对不同纤维体积浓度和纤维长径比下的截面平均气含率进行有效预测。局部气含率和气泡弦长均对局部流型有较大影响:近液池内壁区(区域Ⅰ)的气泡因受壁面剪切力的作用破碎而呈现泡状流动,环空部分的其他区域(区域Ⅱ和区域Ⅲ)则因冠状气泡的出现而变为冠状-泡状流;床层平均气含率随表观气速的增大而增大,在气泡数量增多和聚并几率增大的耦合作用下,其增幅逐渐变小;低表观气速时,纤维体积浓度增大,床层湍动受抑制,颗粒易附着于气泡之上,床层平均气含率略有升高。高表观气速时,纤维体积浓度增大,液相表观粘度增大,颗粒上的涡脱落增多,床层平均气含率则降低;随着纤维长径比的增大,纤维悬浮液小尺度的速度脉动受抑制,床层平均气含率逐渐增大;采用漂移流模型,引入拥挤因子和纤维数密度,建立了无纤维颗粒和含纤维颗粒的洗涤冷却室的床层平均气含率模型,模型预测效果较好。(3)将气泡弦长分布分组和气泡形状估计相结合,进行气泡弦长分布和接触探针的气泡尺寸分布之间的转换,并分析了表观气速、纤维体积浓度和纤维长径比的变化对不同区域的上升、下降和总气泡的气泡尺寸分布的影响。结果表明:区域I和区域II的上升气泡尺寸分布为单峰或双峰的宽峰分布,而区域III则主要呈尖锐的单峰分布。下降气泡尺寸分布在三个区域内均呈尖峰分布,总气泡尺寸分布则与上升气泡的一致。球状小气泡和非球状大气泡的大小以等效直径2 mm为界;表观气速的变化引起液相的湍动程度、流体与壁面间的剪切作用以及液相返混程度的变化,从而使上升、下降和总气泡的气泡尺寸发生改变;纤维浓度的变化通过影响湍流强度受抑制的程度和纤维的“隔离作用”来影响不同区域的不同气泡尺寸的变化;引入纤维数密度用以表征纤维的直径和长度所引起的纤维长径比的变化对不同区域的不同气泡尺寸分布的影响,气泡尺寸的变化主要由纤维-纤维间的作用、纤维-气泡间的作用和流体-壁面-纤维间的作用所决定。(4)通过核函数概率密度估计法得到气泡速度分布,利用解析变换法将接触探针的总气泡尺寸分布转换为床层中的总气泡尺寸分布,并依此计算得到了气液界面面积,分析了不同表观气速、纤维体积浓度和纤维长径比下的上升和下降气泡的速度分布以及界面面积分布。结果表明:上升气泡的平均速度在r/R=0.55处显著降低,在r/R=0.85处则出现最小值,下降气泡平均速度的径向波动随表观气速的增大而减小;上升气泡速度分布由区域Ⅰ的宽峰分布逐步转变为区域Ⅲ的尖峰分布,下降气泡速度分布在三个区域均呈现为尖峰分布;随着表观气速的增大,区域Ⅰ和区域Ⅱ中的上升和下降气泡平均速度增大,而在区域Ⅲ中,上升和下降气泡平均速度分别呈减小和波动分布;在不同纤维体积浓度下,上升和下降气泡平均速度由气泡平均直径的变化所决定。但对于下降小气泡而言,所处区域的流体流动和纤维体积浓度同样具有一定影响;在不同纤维长径比下,上升和下降气泡平均速度的变化与纤维密度数成反比,仅在区域Ⅱ处的下降气泡平均速度呈现出相反的趋势;在低表观气速(r/g=0.074 m/s)和高表观气速(r/g=0.37 m/s)下,界面面积的径向分布分别呈现中心峰分布和边壁峰分布;随着表观气速的增大,三个区域的界面面积均呈现增大的趋势;不同纤维体积浓度和纤维长径比下的界面面积主要受总气泡平均Sauter直径变化的影响:引入纤维体积浓度、纤维长径比以及无量纲半径等参数,得到了修正的Besagni&Inzoli界面面积关联式。