利用磷光体测温和射线追踪模拟在充填床中进行多点温度测量

图示在装有 6 个涂有发光材料的彩色标记球体的不透明填料床内进行基于发光的多点温度测定。左、右：在两个不同位置仅显示单个球体时的模拟发光图像示例。资料来源：Guangtao Xuan，马格德堡奥托-冯-格里克大学

一个研究小组提出了一种基于荧光粉测温的间接光学方法，用于确定不透明填料床的内部温度。该方法通过图像分离来自不同位置的叠加发光，实现了多点同步测量。

结合光线跟踪模拟，它可以在由任意形状的颗粒组成的不规则堆积床中进行测量。测量结果可以作为有限元传热模拟的输入，从而优化模拟参数，获得床内精确的全温度分布。

来自马格德堡奥托-冯-格里克大学的研究团队在《粒子学》杂志上发表了他们的研究成果。

填料床是最常见的工业反应器，通常由随机形状的颗粒组成，其中的反应通常在高温下进行。因此，测量和控制床内填料颗粒的温度对于优化产品质量、系统能效和污染物排放至关重要。

由于填料床内孔隙的大小和分布具有固有的随机性，再加上填料的不透明性，要准确测量床内的整体温度分布非常困难。因此，研究人员和工程师经常借助数值模拟来分析填料床的内部温度特性，从而克服直接测量的局限性。

然而，填料床热化学过程的数值模拟也非常具有挑战性，这是因为问题的域尺寸大、尺度多，而且存在不同的热传导模式，包括对流、粒子间传导和辐射。

即使在没有辐射、对流和化学反应的情况下，由于难以解决接触点上复杂的颗粒表面特性，以及颗粒填充步骤导致的填料结构固有的可变性，填料床的传热模拟仍然特别复杂。

值得注意的是，在处理高导热性和规则几何形状（如立方体）的颗粒时，表面粗糙度会显著影响颗粒间的热传递。虽然这种粗糙度的影响理论上可以通过颗粒之间的微小气隙来模拟，但有效的模拟需要事先了解这种气隙的大小，而这种气隙的大小往往是无法获得的，因为它有各种决定因素，如颗粒的制造方法。

因此，精确测量填料床内的局部温度至关重要，尤其是多点测量，它可以提供有关热传导率方向和大小的信息。

在最近的论文中，科学家团队开发了一种间接测量温度的方法，用于实验测量填料床的内部温度。这种方法结合了基于寿命的荧光粉测温法、射线追踪模拟和使用有限元传热模拟的温度数据同化。

研究人员设计了一种直径为 6 毫米的铝球的可重复规则填料来建立和验证这种方法，其中顶层的一个球体被电加热。当填料内的球体涂有热成像荧光粉并将激发光射向填料时，荧光粉涂层会在激光通过床层传播时被填料颗粒表面之间的散射间接激发。

因此，可以利用荧光粉从床层中发出的荧光来重建起始位置，并估算重建位置的温度。

考虑到堆积床中有多个发光颗粒，产生的发光场是各个颗粒贡献的总和。研究小组建议通过对每个粒子的辐射传递进行线性回归，分离出每个粒子的相对贡献。

为此，关键是要获得单个粒子的强度分布函数，它提供了内部粒子中只有一个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，这些分布函数很容易测量。

对于堆积不规则的复杂床层，获得这些分布函数的一个有效替代方法是使用光线跟踪模拟，在这种模拟中，可以随意 "打开 "和 "关闭 "单个粒子。多点温度检测被用作有限元传热模拟的输入，以确定颗粒与颗粒之间的气隙距离等参数。有了这些参数，就可以从测量值中归纳出床层内部的全部温度分布。

"这项研究为确定不透明填料床的多点温度提供了一种新的选择，从而可以对高分辨数值模拟进行实验验证，并深入了解化学反应与热量和质量之间的复杂相互作用。

"他说："下一步工作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精度，以及将演示扩展到不规则填料床。

该团队包括来自德国马格德堡奥托-冯-盖里克大学的科学家宣广涛、Mirko Ebert、Simson Julian Rodrigues、Nicole Vorhauer-Huget、Christian Lessig 和 Benoît Fond。Benoît Fond 研究员目前在法国航空航天实验室 ONERA 工作。