厌氧颗粒污泥反应器中三维流体动力学表征：基于折射率匹配与粒子追踪测速技术的高浓度两相流研究

这篇研究开创性地将折射率匹配(RIM)与粒子追踪测速(PTV)技术结合，首次在固体浓度高达50%的厌氧颗粒污泥反应器(AGSR)中实现三维流场测量。通过合成水凝胶珠模拟颗粒污泥，采用Shake-the-Box(STB)算法精准追踪三维轨迹，为理解UASB/EGSB等反应器内多相流相互作用提供了新方法，填补了高浓度体系流体动力学实验研究的空白。

　　

Highlight

本研究首次将折射率匹配(RIM)与先进粒子追踪测速(PTV)技术联用，成功突破传统光学测量技术在高固体浓度体系中的局限。通过透明水凝胶珠模拟厌氧颗粒，结合Shake-the-Box(STB)算法，在固体体积分数高达50%的液-固两相流中实现了三维速度场的精准测量。

Flow system and experimental conditions

实验系统包含直径10cm、高1.7m的玻璃制EGSB反应器（典型中试规模），采用蠕动泵控制流速。水凝胶珠（直径2-4mm）模拟颗粒污泥，与NaI溶液折射率匹配实现光学透明化。通过四台高速相机（2000fps）捕捉荧光示踪粒子运动，构建三维流场数据库。

Index matching and 3D particle tracking

在30cm反应器区段内，研究者追踪了不同水凝胶浓度（0-50%）下的粒子运动。单相流中识别约14,000个粒子轨迹，而50%固体浓度下仍能稳定追踪8,000+轨迹。图4展示的彩色三维轨迹云图（按垂直速度分量着色）清晰揭示了颗粒存在导致的流场扰动规律。

Conclusions

该技术为解析AGSR中复杂三相流（液-固-气）相互作用奠定了基础，未来可拓展至真实沼气产生条件下的流动分析。STB-PTV与RIM的结合，为验证计算流体力学(CFD)模型提供了前所未有的实验数据支持，推动反应器设计与优化进入精准调控新时代。