中科院過程工程研究所：研究氣泡的樂趣

　　在中科院過程工程研究所，有這樣一群科研工作者，他們通過研究氣泡如何影響化學反應中的動量和質量傳遞，幫助化工、能源等企業解決實際問題。

　　高大的鐵門時而緊閉、時而敞開，各種發動機的轟鳴聲在面積不大的空間里交相呼應，穿著白大褂的工作人員在高達二三十米的設備上上下穿梭，時不時拿著鉗子、扳手敲敲這里，擰擰那里。

　　這不是哪家企業的生產車間，而是中科院過程工程研究所的一間實驗室。

　　近日，記者走進了這間隸屬于多相復雜系統國家重點實驗室的“廠房”，第一眼見到的是一個由透明塑料管圍成的設備。這臺設備正在運轉，水從底部被不斷注入。注滿水后，一串串氣泡從底部冒出躥向頂部。

　　“這個裝置是做什么實驗的?”

　　“這是一個研究氣液兩相流的裝置，主要用于研究氣泡如何影響化學反應中的動量和質量傳遞。”

　　“里邊裝的是水嗎?”

　　“對。我們實驗時裝的是水，但在工業生產中，里邊就有很多漿、非牛頓流體。”

　　研究員楊寧站在這個長度約6米的環形設備前，仔細觀察著水中氣泡，眼神隨氣泡由下往上，不時和同事討論。

　　“氣泡的尺寸是多少?大氣泡與小氣泡的數量是多少?氣泡的形態和軌跡是如何動態變化的?這些都是需要我們觀察、記錄的。”在一旁記錄的科研人員告訴記者，觀察氣泡已經成了他們的職業習慣。

　　“我們有時候出去開會，會觀察酒店水族箱里的氣泡是怎么變化的。”楊寧說，“內部的氣速、壓力等參數影響氣泡的變化，氣泡的大小變化又影響了化學反應中質量和熱量的傳遞，所以我們可以通過控制氣泡來控制化學反應。”

　　在科研人員的身后，一個20多米高的大家伙引起了記者的注意。

　　“這是一個用于中試實驗的設備，里邊的各種設計便于我們了解氣泡的產生和原料的反應過程。”楊寧告訴記者，在化工領域，一項技術從實驗室到工業生產需要經歷小試、中試、工業示范、工業化四個逐級放大的過程。“企業里的反應器都是幾十米高，為了保證里邊的原料與催化劑充分發生化學反應，反應器的設計至關重要。”

　　從上世紀80年代開始，一套模擬化學反應器流動的雙流體計算流體力學模型被廣泛應用，通過這個模型，氣泡研究在一臺計算機上就能實現。

　　“這套模型的基礎是反應器微元內顆粒均勻分布，但實際情況是顆粒很容易形成聚團，而且會呈現上稀下濃的S型分布。”楊寧告訴記者，很早以前他們便對這個模型提出了質疑。

　　楊寧所在的研究團隊經過多年的積累，發展了一個應用于氣固快速流態化系統的多尺度曳力模型，彌補了雙流體CFD模型的薄弱環節，并在最近將這一方法用于揭示氣液鼓泡體系的多尺度結構和機理。

　　新模型在學術界與產業界引起了廣泛關注。記者在楊寧辦公室的一份資料里看到，美國、德國、英國、澳大利亞等國的多家研究機構都迅速報道并應用了該模型。

　　在虛擬過程平臺實驗室里，一塊寬大的LED墻正在顯示密密麻麻的數據。楊寧解釋說，墻上顯示的數據分別是計算機系統通過模型模擬的化學反應過程與實際實驗的過程。“我們利用模型模擬的反應器中氣泡的產生變化過程與中試結果一致，這在墻上能明顯看到。”

　　楊寧說，研究團隊已經跟國內外多家大型化工、能源、食品企業進行了項目合作，用這個模型為他們解決反應器設計的科學問題。

　　其實，最令這些科研工作者感到欣慰的是國際同行的認可。目前，國外研究團隊不僅在論文中引用、討論、印證了新模型的科學性，還將其用于科學實驗與工業生產。

　　“國外研究團隊可能在硬件、測試技術方面比我們先進，但是在軟件、模擬模型方面，我們走在了前列。他們希望能通過與我們課題組的合作，提高他們的模擬能力。”楊寧告訴記者。

　　“以前我們國內的學者是跟著他們的研究方向走，現在是他們跟著我們走。”楊寧自豪地說。