1.5 多相体系
流化床研究
单纯的流体系统或颗粒系统比较容易处理，但是如果既要考虑流体运动又要考虑颗粒运动，这种气固或者液固两相流动就构成了更为复杂的颗粒流体系统。在现代过程工业里一类叫流化床的设备中经常可以看到这种多相体系。
流化床是一种利用气体或液体通过颗粒层并使颗粒悬浮运动的装置。在流化床中颗粒将出现类似于流体的行为，称为流态化。在自然界中，大风扬尘、沙漠迁移、河流夹带泥沙等，都是典型的流态化现象。过程工业装置流态化的主要目的是增强颗粒与周围流体的混合效果，提高传热、传质效率。
各大石油化工企业目前普遍能看到的催化裂化反应器就是非常典型的流态化装置。这一装置是为了把价值比较低的重质油在催化剂作用下转化成价值较高的轻质液体燃料如汽油、柴油等。催化裂化反应器里的固相主要是粉末状的催化剂，气相就是石油原料蒸气。装填在垂直管道中的催化剂形成颗粒床层，反应气体流过床层，颗粒在流体的作用下被悬浮或输送。在各大火力发电企业目前普遍采用的大型循环流化床燃烧锅炉也是流态化技术的杰出应用范例。
流化床内的颗粒流体系统运动十分复杂，随着气体速度的增加，流动结构可能发生一系列的转折变化，形成膨胀、鼓泡、湍动、快速流化、稀相输送等典型的流域特征，如图1.10所示，很难用简单的模型进行描述。
图1.10 流化床的流型过渡：膨胀、鼓泡、湍动、快速流化、稀相输送
图1.11 应用拟颗粒方法证明EMMS原理[9]
流态化：流态化是指颗粒状固体物料在气体流或液体流的作用下处于悬浮状态、呈现出一定流体特性的状态，这种状态有利于工业的管道化、连续化生产，能够促进气-固、液-固的相间接触，有利于提高传热、传质和化学反应的速度，所以在工业过程中被广泛采用。
多尺度方法
颗粒-流体运动的复杂性对于数学模型和程序计算提出了很高的挑战。为了应对这一挑战，科学家提出了很多解决方法，其中能量最小多尺度方法[7-8]（EMMS）是中国科学家提出的、应用较为广泛的一种。
依据EMMS模型，将反应器定义为宏尺度，将颗粒聚团定义为介尺度，单个颗粒定义为微尺度。根据不同控制机制在竞争中协调的原理，提出了稳定性条件，建立了描述颗粒-流体复杂系统的变分多尺度模型。该模型可以预测流态化过程中的流型过渡和结构突变现象。随后又应用拟颗粒方法对稳定性条件进行了证明，夯实了EMMS原理的基础，如图1.11所示。
EMMS原理从气固两相流进一步推广到气液固、湍流、纳微流动、泡沫、颗粒流以及乳液等更多复杂系统，并直接推动了介科学的发展[10]。从介科学的角度，发现各种复杂系统都存在着类似的稳定性原理，即两种极值趋势在竞争中协调，形成稳定的结构。据此，归纳形成了变分多尺度方法的理论框架，在数学上，它可以表达为一种通用的多目标变分问题。在此基础上形成了新的“EMMS计算模式”，即模拟宏尺度和介尺度的行为，应用稳定性条件进行约束；研究微尺度行为则应用离散模拟描述，这样可以同时保证模拟的效率和精度，如图1.12所示。这一计算模式，正是提高计算效率和精度的关键。这种扩展的EMMS模型与离散模拟相结合，在方法上实现了问题、模型、软件和硬件四者的结构与逻辑一致性，为过程工程的集成设计提供了解决方案。
图1.12 EMMS计算模式结构图[11]
介尺度：本文提及的介尺度概念并不是一个特定的几何尺度范围，而是与多相反应体系中两个层次的介尺度问题研究有关，包括分子尺度到颗粒尺度的材料结构或表界面时空尺度，以及颗粒尺度到反应器尺度间形成的非均匀结构的时空尺度。研究介尺度问题的意义在于，明确不同系统中介尺度结构的定义和特征，阐明多尺度过程的介尺度作用机制，突破传统方法的局限性，解决工程应用中的挑战性问题。