使用荧光测温和射线追踪模拟在填充床中进行多点温度测量

一组研究人员提出了一种基于荧光测温法确定不透明填充床内部温度的间接光学方法。该方法使用基于图像的分离来自不同位置的源的叠加发光来实现同时多点测量。

与射线追踪模拟相结合，它有可能在任意形状的不规则堆积颗粒床中进行测量。结果可用作有限元传热模拟的输入，从而优化模拟参数，从而获得床内准确的完整温度分布。

马格德堡奥托·冯·格里克大学的研究小组在《微粒学》杂志上发表了他们的研究成果。

填充床是最常见的工业反应器，通常由随机形状的颗粒组成，其中的反应经常在高温下发生。因此，床中填料颗粒温度的测量和控制对于优化产品质量、系统能源效率和污染物排放至关重要。

考虑到填充床内孔的尺寸和分布固有的随机性，加上填充材料的不透明度，床内整体温度分布的精确测量带来了很大的困难。因此，研究人员和工程师经常采用数值模拟来分析填充床的内部温度特性，这提供了克服直接测量局限性的方法。

然而，由于域尺寸大、问题的多尺度性质以及所呈现的不同传热模式(包括对流、颗粒间传导)，填充床热化学过程的数值模拟也非常具有挑战性和辐射。

即使在没有辐射、对流和化学反应的情况下，填充床中的传热模拟仍然特别复杂，因为难以解析接触点处的复杂颗粒表面特性以及颗粒填充导致的填充结构固有的可变性步。

值得注意的是，在处理高导热率和规则几何形状(如立方体)的颗粒时，表面粗糙度会显着影响颗粒间的传热。尽管理论上可以通过颗粒之间的微小气隙来模拟这种粗糙度的影响，但有效的模拟需要事先了解该间隙尺寸，而由于其各种决定因素(例如颗粒制造方法)，这通常是无法实现的。

因此，在填充床内进行准确的局部温度测量至关重要，特别是对于多点测量，它可以提供有关传热速率的方向和大小的信息。

在他们最近的论文中，科学家团队开发了一种间接测温方法来通过实验测量填充床的内部温度。该方法依赖于基于寿命的荧光体测温、射线追踪模拟和使用有限元传热模拟的温度数据同化的组合。

研究人员设计了一种可重复的规则包装的6毫米直径铝球来建立和验证该方法，其中顶层的一个球体被电加热。当填料内部的球体涂有热成像荧光粉并且激发光射向填料时，当激光通过填料颗粒表面之间的散射传播通过床时，荧光粉涂层将被间接激发。

因此，离开床的磷光体发光可用于重建起始位置并估计重建位置处的温度。

考虑到填充床中存在多个发光粒子，所得的发光场是单个粒子贡献的总和。研究小组建议通过辐射传输的线性回归来隔离每个粒子的相对贡献。

为此，关键点是获得单个粒子的强度分布函数，该函数提供了当只有一个内部粒子发光时在相机图像上形成的发光的空间分布。在堆积规则且可重复的简单设置中，可以轻松测量这些分布函数。

对于不规则填充床的复杂情况，获得函数的有效替代方法是使用射线追踪模拟，可以随意“打开”和“关闭”单个粒子。多点温度检测用作有限元传热模拟的输入，以确定颗粒间气隙距离等参数。通过这些，可以从测量值中吸收床内的完整温度分布。

“这项研究提供了一种确定不透明填充床中多点温度的新选择，可以对高分辨率数值模拟进行实验验证，并深入了解化学反应与热和质量之间的复杂相互作用。”作者宣光涛博士说。马格德堡奥托·冯·格里克大学的学生。

“下一步包括增加同时测量的粒子数量，进一步提高粒子发光的射线追踪模拟的准确性，并将演示扩展到不规则的填充床。”他说。

该团队包括来自德国马格德堡奥托冯格里克大学的GuangtaoXu、MirkoEbert、SimsonJulianRodrigues、NicoleVorhauer-Huget、ChristianLessig和BenoîtFond的科学家。研究员BenoîtFond目前在法国ONERA(法国航空航天实验室)工作。