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多相流测试技术及模型在化工、能源、冶金、环境、制药和生化等领域有广泛应用。本书是“十二五”国家重点图书《工业生物技术过程科学丛书》中的一个分册，系统介绍近年来先进的多相流测量技术和模型、模拟方法。测量方法包括光纤探头、声多普勒测速技术、激光多普勒测速和粒子图像测速技术以及过程层析成像技术等前沿的测量方法；模型方法中包括以传统的双流体模型为基础的气液、气固体系模型和模拟，以及考虑离散相描述的CFD-DEM方法、介尺度的格子玻尔兹曼方法等。

第1章 概述

1.1 多相流的定义 1

1.2 多相流的分类 1

1.3 多相流的应用 2

1.4 多相流的测量技术 4

1.5 多相流的模型和模拟 5

参考文献 6

第2章 光纤探头技术

2.1 光纤探针的测量原理 7

2.2 光纤探针的结构及其分类 7

2.3 双探头光纤探针 9

2.3.1 光纤探头系统的组成 9

2.3.2 信号分析及算法 10

参考文献 14

第3章 超声多普勒测速仪(UDV)技术

3.1 UDV测速原理 15

3.2 非接触式测量的壁面效应校正 17

3.3 液固体系固含率的测量 20

3.4 气液体系液速和气泡速度的测量 23

参考文献 27

第4章 激光多普勒测速仪(LDV)技术

4.1 LDV测速原理 28

4.2 光学外差检测系统 30

4.3 LDV在固液搅拌体系中的应用 32

4.4 LDV在气液体系中的应用 36

参考文献 37

第5章 粒子图像测速仪(PIV)技术

5.1 PIV技术原理 38

5.2 粒子图像处理方法 41

5.2.1 低颗粒浓度图像处理方法 41

5.2.2 高颗粒浓度图像处理方法 41

5.3 体视PIV技术(2D-3CPIV) 44

5.4 三维立体PIV技术(3D-3CPIV) 47

5.4.1 图像捕集和粒子图像重构 48

5.4.2 粒子配对和速度场重构 52

5.5 微PIV技术(micro-PIV) 54

5.5.1 micro-PIV测速原理 55

5.5.2 micro-PIV测速方法 55

5.5.3 micro-PIV图像数据的预处理 55

5.5.4 micro-PIV的应用 56

参考文献 58

第6章 激光诱导荧光(LIF)技术

6.1 LIF技术的测试原理 61

6.2 LIF技术的实现方式与主要设备 62

6.3 PLIF技术在浓度场测量中的应用 64

6.4 PLIF技术在渐扩固体表面上的液膜混合中的应用 65

6.5 PLIF技术在毫米通道的快速射流混合中的应用 72

6.6 PLIF技术在高黏度搅拌体系中的应用 79

6.7 反应流PLIF技术在毫米通道中的应用 84

6.8 搅拌釜内的反应流动测量 91

6.9 三维LIF技术的应用 97

参考文献 97

第7章 过程层析成像技术

7.1 过程层析成像技术简介 100

7.2 适用于轴对称两相流的一维CT测试技术的研究应用 101

7.2.1 1D-XCT技术的算法原理及程序实现 103

7.2.2 1D-XCT技术的测试效果及评价 105

7.3 多相流快速XCT测试技术的研究应用 108

7.3.1 GA-XCT技术的算法原理及程序实现 109

7.3.2 GA-XCT技术的数值仿真验证 112

7.3.3 GA-XCT技术的静态实验验证 115

7.4 ECT技术在多相流场测量中的研究应用 118

7.4.1 ECT技术的测量原理及主要研究进展 118

7.4.2 ECT技术的实际应用及主要挑战 119

参考文献 119

第8章 气液体系的双流体模型

8.1 流动模型的两种描述方法 124

8.2 双流体模型 125

8.3 相间作用力 126

8.4 湍流模型 128

8.4.1 标准k-ε 模型及其修正 128

8.4.2 RNGk-ε 模型 130

8.4.3 Realizablek-ε 模型 131

8.4.4 RSM 模型 131

8.5 双流体模型的数值解法 132

参考文献 133

第9章 CFD-PBM 耦合模型

9.1 CFD-PBM 耦合模型描述 136

9.1.1 双流体模型基本方程 137

9.1.2 群体平衡方程 137

9.1.3 相间作用力 138

9.1.4 湍流模型 139

9.2 群体平衡模型 139

9.3 PBM 求解方法 141

9.4 气泡聚并模型 143

9.4.1 由湍流涡体引起的聚并 144

9.4.2 由气泡尾涡作用引起的聚并 146

9.4.3 由气泡上升速度差引起的聚并 147

9.5 气泡破碎模型 147

9.5.1 由湍流涡体碰撞引起的破碎 150

9.5.2 大气泡由于表面不稳定引起的破碎 155

9.6 其他气泡聚并和破碎模型 155

9.6.1 Prince和Blanch的模型 155

9.6.2 Luo和Svendsen模型 156

9.6.3 Lehr模型 157

9.7 计算结果与讨论 157

9.7.1 气泡破碎速率 157

9.7.2 子气泡大小分布 158

9.7.3 气泡大小分布 160

9.7.4 流区转变 162

9.7.5 CFD-PBM 耦合模型计算结果 165

9.8 小结 172

参考文献 172

第10章 气固体系的双流体模型

10.1 气固体系双流体模型的建立 175

10.2 颗粒相动量方程的封闭 176

10.2.1 颗粒相黏度 176

10.2.2 颗粒相压力 177

10.3 颗粒动力学理论模型及研究进展 177

10.3.1 基于颗粒动力学理论的气粒双流体模型 178

10.3.2 层流气相-层流颗粒相 179

10.3.3 湍流气相-层流颗粒相 180

10.3.4 湍流(层流)气相-湍流颗粒相 180

10.4 k-ε-kp-Θ 气粒湍流双流体模型 181

10.5 k-ε-kp-εp-Θ 气粒双流体模型 183

10.6 垂直气固两相流的模型预测 185

10.6.1 下行床气固两相流动的模型预测 185

10.6.2 提升管中气固两相流动的模型预测 187

参考文献 190

第11章 CFD-DEM 模型

11.1 DEM 原理及其应用 192

11.2 CFD-DEM 耦合方法及其在多相流领域的应用 210

参考文献 224

第12章 格子玻尔兹曼方法

12.1 格子玻尔兹曼方法原理 230

12.2 多相和多组分流体的格子玻尔兹曼方法 233

12.3 格子玻尔兹曼方法的边界处理 234

12.4 LBM 在气液体系的应用 236

12.4.1 格子玻尔兹曼拟势能模型 237

12.4.2 基于拟势能模型的气泡模拟 238

12.4.3 状态方程对密度比的影响 241

12.4.4 状态方程对伪速度的影响 243

12.4.5 单(多)组分拟势能模型 244

12.4.6 气泡行为模拟 245

12.4.7 基于LBM 的气液双流体模型 252

12.4.8 小结 257

12.5 LBM 在液液体系的应用 258

12.5.1 不互溶体系析出模拟 258

12.5.2 瞬间初始线源一维扩散 258

12.5.3 微通道内液滴行为的研究 259

12.5.4 微液滴内部混合行为的研究 260

参考文献 261

第13章 CFD 耦合基元反应动力学模拟

13.1 CFD耦合基元反应动力学模拟的基本原理 266

13.2 CFD耦合基元反应动力学模拟的实现 267

13.2.1 CFD耦合基元反应动力学模型的建立 267

13.2.2 CFD耦合基元反应动力学模型的求解 271

13.3 CFD耦合基元反应动力学模拟的应用 274

参考文献 288

索引 289

陈易，清华大学化学工程系，教授。作为负责人承担了973项目、863重点国家项目等多项重要课题。先后获中国石油和化学工业协会首届青年科技突出贡献奖、*新世纪优秀人才支持计划等奖项。长期从事多相反应工程研究和新过程开发，工作内容涉及多相反应器的流体力学、模型与模拟，下行床超短接触技术用于清洁炼油工艺，热等离子体煤裂解制乙炔，冷等离子体CPVC合成，液-液毫秒级混合与反应器技术，微结构反应器制氢和流体混合技术，流化床甲烷化技术等。现为美国AIChE会员、中国化工学会会员、中国颗粒学会常务理事以及流态化分会副主任兼秘书长。

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编辑推荐

本书由国内该领域一线专家编撰，书中技术细节源自国家973项目成果，很多内容为次发表。书中阐述的许多技术内容是解决当前工业生物技术过程中问题的新途径。

前言

随着化石资源的日益枯竭，基于我国在发酵工业上雄厚的产业基础，以生物质为原料生产化学品、能源等的工业生物技术将在我国国民经济中占有更重要的地位。

工业生物技术(Industrial Biotechnology)，又称为白色生物技术(White Biotechnology)，是以可再生生物质资源为原料生产化学品、材料与能源的新型工业模式。我国在工业生物技术的上游领域（细胞工程、基因工程等领域)和世界先进水平差距较小，在某些方面甚至有一定优势，但在工业生物技术的过程科学基础研究方面与国外有较大的差距，比如过程放大原理和方法等。

要解决上述差距问题，必须加强工业生物技术的过程科学研究。过程科学是生物技术产业化取得成功的关键，是生物学、化学、工程科学等学科的高度交叉与集成。它探索如何从原料出发、经过优的发酵和分离纯化工艺，用少的原料、低的能耗、清洁的生产工艺，高效稳定地获得高质量的产品。

基于上述背景，国家科技部启动国家973重大项目(2007CB7300)——工业生物技术过程的科学基础研究，至今已取得丰硕的成果，2013年又得到了滚动支持。从已出版的相关图书来看，现有图书基本上侧重于工业生物技术过程中的某类产品制造技术或工艺过程，而关于工业生物技术过程原理和方法方面的系统论著则较少。

《工业生物技术过程科学丛书》入选“十二五”国家重点图书，汇集了上述973项目的研究成果，围绕我国工业生物过程面临的重大科学问题，系统阐述工业生物技术过程的原理和方法，填补了国内该方面图书的空白。内容涉及工业生物过程生理活性特征的细胞群体效应规律、多相复杂体系内物质和能量传递以及生物转化与放大过程的基本原理与方法、工业生物过程的整体设计与系统优化等，构成了一个有机关联的整体。具有以下特色：

(1)原创性强，技术前沿。丛书中涉及的细胞群体效应、生物过程放大等技术水平均达到了国际先进水平。丛书中汇集的大量技术内容均为国内外次出现在出版物上。

(2)作者权威。参与编写的作者来自北京化工大学、清华大学、天津大学、华东理工大学、中国科学院过程工程研究所等一流工业生物技术研究单位，具有院士、长江学者、国家青年基金获得者、中国科学院百人计划等荣誉称号的达10人以上。

(3)注重实用性。丛书中涉及的过程技术均以当前我国生物技术产业化过程中的重大项目为基础展开，比如抗生素、维生素、生物柴油、燃料乙醇等大宗产品的制造，因而对我国当前工业生物技术领域的发展具有很强的指导价值。

该丛书的出版不仅有助于解决我国现有工业生物过程中的优化放大等突出问题，而且还可为加快我国生物技术产业化的步伐、提高我国生物技术产业的国际竞争力做出贡献。

中国工程院院士

北京化工大学，校长

2013年12月