基于人工智能图像分割技术的单组分与双组分颗粒流化床瞬态气泡演化对比研究

《Flow Measurement and Instrumentation》：Comparative investigation of transient bubble evolution in one- and two-component particle fluidized beds using AI-based image segmentation

　　

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  基于AI的分割任意事物模型（SAM）实现了精确的气泡图像分割。
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  单组分体系表现出快速的气泡生长和早期聚并。
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  双组分体系削弱了气体渗透，缩小了尺寸分布范围。
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  二元颗粒混合物诱导双峰气泡尺寸分布。

引言

流化床因其优异的传热传质能力和高效的固体颗粒悬浮特性，广泛应用于能源转化、化学反应、资源利用和环境保护等领域[1]、[2]。在实际工业系统中，固体颗粒在密度、粒径和表面特性方面通常存在差异，形成多组分或多尺度混合体系[3]。此类体系中颗粒的相对运动、交换行为和空间分布直接影响床层反应均匀性、传热传质效率和操作稳定性[4]。因此，阐明多组分颗粒体系的内部流动特性对于推进多相流理论和优化设备设计具有重要的科学价值和工程意义。

近年来，多相颗粒流的理论建模和数值模拟取得了显著进展[5]、[6]、[7]。然而，数值模拟结果高度依赖于模型参数设置和颗粒接触本构关系的合理性。特别是对于交换机理、团聚行为和多元组分颗粒的偏析与分级等复杂现象，仍需实验数据进行可靠性验证和参数校正[8]。因此，获取高时空分辨率的高精度实验数据对于推进多相颗粒流模型的理解与发展至关重要。实验技术可分为侵入式和非侵入式两大类。侵入式技术如光纤探头[9]、电容探头和压力传感器[10]可测量局部流动行为；然而，这些技术会干扰局部流动结构，且在映射整个流场时需要重新布置流化床内的探头位置。相比之下，非侵入式技术如断层扫描（X射线[11]和伽马射线[12]、[13]）、磁共振成像系统、激光多普勒测速仪（LDV）[14]、粒子图像测速（PIV）[15]和数字图像分析（DIA）[16]能够在不扰动流场的前提下获取流体动力学参数[17]。

气泡是控制颗粒输运、混合和气固接触的主要流体动力学结构。因此，其尺寸、上升速度、出现频率和空间分布在控制床层动力学方面起着决定性作用。在多组分颗粒体系中，气泡运动可诱导颗粒偏析或极性化，而颗粒特性的变化进一步改变气泡结构，导致相间更为复杂的耦合。因此，详细实验研究气泡动力学及其控制机理对于理解和预测复杂气固流化系统行为仍然至关重要。Andreux等人[18]使用光学探头测量了Geldart A颗粒床内的气泡群结构。结果表明，气泡群尺寸与气泡直径密切相关。Huang等人[19]利用电容探头研究了喷动床中气泡的运动行为，报告了气泡尺寸和入口气体速度等操作参数对气泡群份额的影响微乎其微。Niu等人[20]采用光纤探头研究了混合颗粒的流动特性。结果表明，颗粒的团聚效应被抑制，且在高速气流下气泡群结构变薄。Busciglio等人[21]利用DIA研究了伪二维流化床中刚玉与玻璃颗粒二元混合物中的气泡行为。此外，Zhu等人[22]利用DIA技术研究了压力对不同粒径三种均质体系中气泡行为的影响。结果表明，压力的增加直接影响气泡行为，并从根本上影响气泡诱导的颗粒混合。此外，Zhu等人还利用不同密度的二元混合物在伪二维加压流化床中进行了实验[23]。结果表明，二元混合物的流化过程是渐进的。对于相同粒径的颗粒，低密度颗粒产生的气泡尺寸和气泡份额更大，且伴随更大的波动，高于密度颗粒。压力的增加导致气泡直径和份额的总体减小，抑制了气泡-颗粒相互作用，最终导致混合质量恶化。

随着研究方法的扩展，特殊几何结构和外部扰动下气泡动力学研究日益受到关注。Hannah等人[24]利用实时磁共振成像系统系统地比较了不同厚度的伪二维流化床与真实三维流化床的流体动力学。结果表明，较薄的床层导致更均匀的径向气泡分布，并减小了等效气泡直径。Lukas等人[25]结合PIV和压力测量，在不同床层宽度、粒径、密度和相对床层高度下获取了颗粒速度场和气泡通过频率特性，从而为计算流体力学模型的验证提供了高质量的参考数据。Athena等人[26]利用DIA和PIV研究了海洋横摇条件下流化床中单个气泡的演化。结果表明，横摇运动抑制了颗粒动能的振荡并增强了气泡形状稳定性。此外，Hannah等人[27]还利用磁共振成像技术研究了不同长度和直径的垂直内部结构对床层流体动力学的影响。这些垂直管不仅显著减小了气泡尺寸并改善了气泡的径向分布，还引起了轴向气体短路并降低了颗粒速度。

尽管对单组分和双组分颗粒体系中气泡行为的理解已取得相当大的进展，但由于气体速度和颗粒特性的共同作用，流化床中气泡动力学仍然高度复杂。不同流化条件下气泡的瞬态演化、流体动力学特性和空间分布尚未被完全理解，亟需进一步研究。

因此，本研究系统地研究了流化床中单组分和双组分颗粒体系的瞬态气泡演化。实验在冷态流化床系统下进行，设置了不同的表观气体速度。利用基于分割任意事物模型（SAM）的图像分割策略处理高速瞬态图像，自动提取气泡边界。本研究通过将SAM框架应用于流化床瞬态气泡表征，拓展了基于图像的气泡分析方法。与传统的基于阈值和形态学的分割方法（通常需要手动调整参数）相比，基于SAM的策略为提取不规则气泡边界和分离相邻气泡提供了更灵活的框架。在本研究中，基于SAM的图像分析被应用于单组分和双组分颗粒体系。在不同表观气体速度下，定量分析了气泡直径、气泡数量、上升速度及其空间演化。

章节摘要

流化床实验设备

伪二维流化床的主要结构如图1所示。实验系统由透明亚克力流化床、气体分配器、锥形气室和压力测量系统组成。亚克力段的矩形横截面使得在流化过程中可直接观察气泡演化和颗粒运动。流化床的尺寸为长100毫米、深30毫米、高660毫米。三个压力测点

结果与讨论

最小流化速度（U_mf）由颗粒床层内的压降变化确定。两个压力测点分别位于气体分配器上方50毫米和200毫米处。在表观气体速度增加过程中测量这两个位置之间的压差。最小流化速度由固定床压降增加区域与U_mf之后压降近似恒定的区域之间的交点确定

结论

本研究建立了冷态流化床实验系统，研究了不同气体速度下单组分和双组分颗粒体系中的气泡动力学。采用分割任意事物模型（SAM）进行定量气泡图像分割，实现了对瞬态气泡演化的详细分析。单组分和双组分颗粒体系的最小流化速度分别为U_mf1和U_mf2。主要结论如下：

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  在

CRediT作者贡献声明

Lei Wang：撰写——初稿，项目管理。Xiao Wang：撰写——审阅与编辑。Junnan Liu：撰写——审阅与编辑。Hongwu Qin：指导，概念构思。Chye En Un：指导，资源提供。Hongwei Li：指导，项目管理

利益冲突声明

? 作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性财务利益或人际关系。

致谢

作者感谢吉林省科学技术发展计划项目（编号：YDZJ202601ZYTS190）和国家自然科学基金（编号：52376097）的财政支持。

Lei Wang|Xiao Wang|Junnan Liu|Hongwu Qin|Chye En Un|Hongwei Li