PDF《磁共振成像应用于多相流体动力学研究进展》

CIESC Journal, 2018, 69(9): 3765-3773 ・3765・ 化工学报

2018 年第69 卷第9期|www.

hgxb.com.cn DOI:10.11949/j.issn.0438-1157.20180192 磁共振成像应用于多相流体动力学研究进展 朱礼涛,罗正鸿 (上海交通大学化学化工学院,金属基复合材料国家重点实验室,上海 200240) 摘要:多相流反应器广泛应用于化工、冶金、能源及医药等过程工业,其内部具有非稳态、非线性、非平衡的自 然属性,因而对多相流检测技术提出了挑战.准确检测并理解多相流体力学特性、进而揭示并掌握多相流反应器 设计及放大规律,一直是当今过程工程领域的前沿课题之一.磁共振成像(MRI)作为一种非侵入式、多维瞬态 全流场先进检测手段,可获得准确详尽的多维流场信息,包括颗粒浓度与速度(脉动)场、流型识别、气泡尾涡、 颗粒聚团等多尺度流场参数及介尺度流动结构.此外,MRI 在数值模型验证与改进方面也具有良好的应用前景. 概述了 MRI 技术原理,重点论述了 MRI 近年来在气固及气液反应器中的研究现状,展望了 MRI 在多相流反应器 中有待拓展的方向. 关键词:磁共振成像;

多相反应器;

多相流;

流体动力学;

介尺度 中图分类号:TQ 021.1 文献标志码:A 文章编号:0438―1157(2018)09―3765―09 Application of magnetic resonance imaging to multiphase fluid hydrodynamics ZHU Litao, LUO Zhenghong (State Key Laboratory of Metal Matrix Composites, School of Chemistry and Chemical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China) Abstract: Multiphase reactors are most widely encountered in chemical, metallurgical, energy and pharmaceutical industries. Because multiphase flow in reactors is generally unstable, nonlinear and non-equilibrium in nature, many challenges are exerted to multiphase flow detection technology. It has always been one of the frontier studies in process engineering to accurately measure and comprehend multiphase hydrodynamics, as well as to discover and master rules for design and scale-up of multiphase reactors. Magnetic resonance image (MRI) technology, an advanced non-invasive detection method, can obtain accurate and detail information of multi-dimensional transient fields, such as transient solid concentrations, velocity (fluctuating) fields, flow pattern recognition, bubble vortex structure, particle clustering, and meso-scale heterogeneous structures. Additionally, MRI could have good prospective applications for validation and improvement of numerical models. This review discussed MRI principle, analyzed current status of MRI application for gas-solid and gas-liquid flow hydrodynamics, and prospected promising future directions. Key words: magnetic resonance image;

multiphase reactor;

multiphase flow;

hydrodynamics;

mesoscale 2018-02-11 收到初稿,2018-04-24 收到修改稿. 联系人:罗正鸿.第一作者:朱礼涛(1991―) ,男,博士研究生. 基金项目: 国家科技部项目 (2017YFB0602401) ;

国家自然科学基金 项目(21776173,21625603) . Received date: 2018-02-11. Corresponding author: Prof. LUO Zhenghong, [email protected] Foundation item: supported by the National Ministry of Science and Technology of China (2017YFB0602401) and the National Natural Science Foundation of China (21776173, 21625603). ・3766・ 化工学报第69 卷・3766・ 引言磁共振成像技术(magnetic resonance imaging, MRI)最初广泛用于无损伤医疗影像诊断,后被化 学家用于研究化学成分组成、聚合物中溶剂迁移、 催化剂结构表征及表面化学反应等领域[1-5] . 近些年 来,国内外一些学者[6-18] 将MRI 技术拓展到过程工 程领域的研究,例如多相流动中空隙率与运动速度 的检测、气泡(群)与颗粒(团)运动的成像等. 多相流动现象广泛存在于化工、医药及冶金等过程 工业中,MRI 作为一种新兴的可在线、非介入式多 相流检测技术,对于全方位理解多相流动复杂特性 这一前沿课题、进而对于掌握多相流反应器的设计 与放大规律具有重要的学术价值及工程意义[13] .本 文旨在回顾 MRI 应用于多相流反应器中流体动力 学特征的研究现状,并对其做一评述,以促进 MRI 在多相流检测领域的应用研究.