内循环流化床作为传质强化型反应器,目前已在环境工程、化工、制药、矿业、食品加工、能源等领域的应用中得到发展,但不同的领域及相同领域不同对象对反应器的流体特性需求存在差异。内循环流化床的外形结构特征转换、结构参数变化、内构件置入、曝气区域转变以及操作条件调整等因素的改变均能影响反应器内部流体流动形态、各相空间分布、能量和质量传递效率等流体特性。要实现各式各样流化床的工程应用,物理实验难以通过大量的装备获得不同尺寸反应器的实验数据,同时无法重现结构改变带来流体特征变化的非线性结果,很大程度上制约了内循环流化床技术的市场推广并形成规模。作者所在研究团队对内循环流化床技术已有近三十年的研究和工程调试运营经验,发现内循环流化床仍存在无法解释的流体运动现象,在流体结构优化和功能化方面仍然具有很大的优化潜力。对此,建立以计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)为基础的研究平台,综合考虑反应器外形结构和组合内构件对反应器整体或不同功能区域流体力学变化规律的数值化表达方式,实现物理实验装置不可能完成的工作。在对内循环流化床流体流动特性有效认知的前提下,以气—液两相正方形内循环流化床为基础,通过改变结构参数和置入内构件两种形式,借助计算流体力学商业软件,建立以Eularian多相流模型、Realizable k-ε湍流模型和Schiller-Naumann曳力模型组成的研究平台,从离散化层面上分析不同操作条件下的气含率和液体循环速度的大小和分布规律,首次尝试通过液相动能的大小和分布分析反应器内流体的能量损耗和流体能量传递效率。以控制变量法改变下降区和上升区的面积比(Ad/Ar),环隙过流区和上升区的面积比(Ab/Ar),导流筒与液面距离和导流筒高度的比(Ht/Hdt)三种结构参数,考察正方形内循环流化床流体特性对结构参数的响应特性。研究结果表明:三种结构参数对液速作用明显,对气含率的大小和分布较弱;Ad/Ar主要影响液速的分布与大小,Ad/Ar过小时结构阻力明显,Ad/Ar过大则存在底部逆流曝气问题;Ab/Ar主要影响流化床底部液速的大小和方向,Ab/Ar过大使混合区液速矢量分布稀疏而造成污泥堵塞,Ab/Ar过小则阻力明显而造成能量损耗;Ht/Hdt主要影响导流筒上方液体受到的有效整流作用,过大使液速矢量趋于各向异性而导致能量耗散;在数值模拟范围内,三种结构参数分别取值1.25、1.2和1/8时,正方形内循环流化床流体特性可达到最优状态。此外,对比三种结构参数对内循环流化床的流体作用大小,其在工程设计中影响力排序为Ad/Ar>Ab/Ar>Ht/Hdt。在结构参数优化的基础上,首次对反应器底部置入十字型挡板和上端置入漏斗型导流板作为组合内构件的内循环流化床流体结构进行优化,结果发现:组合内构件能够降低液体循环速度,使液体动能降低同时减小速度梯度对微生物可能造成的影响;组合内构件的耦合作用能够有效提高整体气含率,模拟条件下最大可提升26.5%的水平,同时下降区存在可以实现SND(Simultaneous Nitrification and Dinitrification,同步硝化反硝化)过程的缺氧区域。此外,发现十字型挡板对反应器启动过程的快速实现稳定流态化具有重要的作用。通过数值模拟软件迭代计算对宏观流体问题离散化,从离散化层面展开了内循环流化床气含率和液速大小及空间分布的探索,可以解决基于多结构多参数条件流体力学特性响应规律数值表达的问题,找到反应器结构优化的参数范围,配合内构件的置入,进一步实现了流体运动的力学优化,证明了反应器形态结构和内构件共同作用的结果是能够通过对流体运动的约束和引导,实现流体的结构性操控,如流场分布改变、流体力量/向量有序化、强化混合与分离等,这些特性的使用可以帮助挖掘反应器的应用功能,对强需氧生物废水处理过程和节能减耗具有重要指导价值。