一组研究人员提出了一种间接光学方法，用于基于荧光体温度测定法确定不透明填充床的内部温度。该方法能够同时进行多点测量，使用基于图像的分离来自不同位置的光源的叠加发光。
结合光线追踪模拟，它有可能在不规则堆积的任意形状的颗粒床中进行测量。这些结果可以用作有限元传热仿真的输入，从而优化仿真参数，从而获得床层内的精确全温度分布。
来自Otto-von-Guericke-UniversitätMagdeburg的研究小组在《Particuology》杂志上发布了他们的研究成果。
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，测量和控制床层中的填料颗粒温度对于优化产品质量、系统能源效率和污染物排放至关重要。
鉴于填充床内孔隙的大小和分布的固有随机性，加上填充材料的不透明性，准确测量床内的整体温度分布带来了很大的困难。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，这为克服直接测量的局限性提供了一种手段。
然而，填充床热化学过程的数值模拟也非常具有挑战性，因为其畴尺寸大，问题的多尺度性质，以及呈现的不同传热模式，包括对流、颗粒间传导和辐射。
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处的复杂颗粒表面特性，以及由于颗粒填充步骤导致堆积结构固有的可变性，填充床中传热的模拟仍然特别复杂。
值得注意的是，在处理高导热性和规则几何形状的颗粒时，表面粗糙度会显着影响颗粒到颗粒的传热。虽然从理论上讲，这种粗糙度的影响可以通过颗粒之间的微小气隙来建模，但有效的模拟需要事先了解这种间隙大小，这通常是无法实现的，因为它有各种决定因素，例如颗粒制造方法。
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粉测温、光线追踪模拟和使用有限元传热模拟的温度数据同化相结合。
研究人员设计了一种直径为6毫米的铝球的可重复规则包装，以建立和验证该方法，其中顶层的一个球体被电加热。当填料内的球体涂有热成像荧光粉并且激发光被引导到填料上时，荧光粉涂层将间接激发，因为激光通过填料颗粒表面之间的散射在床中传播。
因此，可以利用离开床层的荧光粉发光来重建原始位置并估计重建位置的温度。
考虑到堆积床中存在多个发光颗粒，产生的发光场是单个颗粒贡献的总和。研究小组建议通过辐射转移的线性回归来分离每个粒子的相对贡献。
为此，关键点是获得单个粒子强度分布函数，该函数提供了在相机图像上形成的发光的空间分布，而只有一个内部粒子正在发光。在简单的设置中，包装是有规律和可重复的，可以很容易地测量这些分配功能。
对于不规则堆积床的复杂情况，获得这些功能的有效替代方案是使用光线追踪模拟，其中可以随意“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，以确定颗粒间气隙距离等参数。有了这些，床内的完整温度分布可以从测量值中吸收出来。
“这项研究为确定不透明填充床中的多点温度提供了一种新的选择，允许对高度分辨率的数值模拟进行实验验证，并为化学反应与热量和质量之间的复杂相互作用提供见解，”作者Guangtao Xuan说，他是Otto-von-Guericke-UniversitätMagdeburg的博士生。
“下一步包括增加同时测量的粒子量，进一步提高粒子发光光线追踪模拟的准确性，并将演示扩展到不规则填充床，”他说。
该团队包括来自德国马格德堡奥托·冯·格里克大学的Guangtao Xuan、Mirko Ebert、Simson Julian Rodrigues、Nicole Vorhauer-Huget、Christian Lessig和Benoît Fond的科学家。研究员Benoît Fond目前在法国ONERA工作。
