持续、安全和可靠的能源供应越来越受到全世界的广泛关注，并已成为全球经济稳定与发展的基础。而能源消费所造成的能源短缺和环境问题使人类的发展面临巨大挑战。在煤炭利用领域，洁净煤技术的应用己成为合理、高效和洁净的利用煤炭资源，促进资源、经济和环境协调可持续发展的必由之路。在洁净煤技术体系中，煤气化技术占有十分重要的地位。目前我国在该领域的基础研究尚落后于工业技术开发与应用，少有基础研究成果可借鉴和应用。因此大规模高效气流床煤气化技术的基础研究课题已于2004年被列为国家重点基础研究发展计划的研究内容，具有重要意义。　　 气流床煤气化技术是煤高效洁净利用的关键技术之一，煤气化炉是整个煤气化技术的核心所在，而洗涤冷却室又是激冷式气流床煤气化炉内的核心组成部分。合成气在洗涤冷却室内完成洗涤和冷却，以满足后续工艺的要求。在洗涤冷却室内存在着多相流动、分离和热质传递等多个复杂过程，但相关的规律和机理的认识还不够全面。要实现气流床煤气化技术中复杂多相产物分级净化处理，就必须对洗涤冷却室内存在的多相体系中的流动、分离和热质传递等基础性问题展开全面、深入的研究，具有现实意义。本文采用理论分析、数值模拟为主要研究手段，结合相关实验研究验证，围绕洗涤冷却室内气体穿越液池过程所涉及的复杂多相体系中的流动、分离及热质传递等多个关键基础问题展开研究，探讨其内在机理。本文研究内容主要包含以下几个方面：　　 以洗涤冷却室内气体穿越液池过程中的气液两相流为研究对象。基于气液两相流理论和数平衡理论，先在Euler-Euler框架下建立分别描述气液两相湍流流动的欧拉模型，然后在此基础上引入气泡数平衡模型、气泡聚并和破碎模型，创建耦合机制，实现气泡尺寸变化对相间作用力模型的在线修正，最终建立改进的CFD-ABND耦合求解数学模型，从而能描述在湍流驱动下的气泡自由碰撞以及湍流涡旋下的撞击所产生的聚并、破碎效应，反映出气泡聚并、破碎行为对气液流动、气泡特性及气液界面面积的影响。采用所建立的数学模型对洗涤冷却室液池内的气液两相流动规律进行研究。定量揭示并分析了洗涤冷却室内的气液两相速度、两相浓度、气液两相湍动能、气泡特性及气液界面面积等参数的分布及变化规律。探讨了不同运行工况对液池内气液流动特性的影响。研究表明：气相在液池内存在分布不均的现象，其主要在冷却管外壁面附近聚集，并具有较大的上升速度；气液湍动能主要发生在冷却管出口及冷却管外壁面附近;在洗涤冷却室内加入构件能促进气体在液池中的扩散，并可有效抑制液面的波动；随着池内表观气速的增加，液池内局部气含率、气泡尺寸以及气液界面面积呈增大的趋势，并趋于平缓。将数值模拟结果与实验结果进行对比，两者吻合较好，从而验证了所建数学模型的适用性及其计算结果的合理性。　　 为研究洗涤冷却室内含渣气体在穿越液池过程中的气液固三相流动及分布规律，在本文前面所开展的气液两相流动研究的基础上，引入离散颗粒相，在Euler-Lagrange框架下，将计算气液两相流动的欧拉模型、追踪自由界面的气液界面计算模型和跟踪离散颗粒运动碰撞的确定性颗粒轨道模型三者相结合，建立适于描述含渣气体穿越液池过程中气液固三相流动的CFD-VOF-DSMC数学模型。与相关实验研究结果进行对比，在验证所建立数学模型及其计算结果适用性和合理性的基础上，对洗涤冷却室内含渣气体穿越液池过程中的气液固三相流动过程作深入的数值模拟研究，得到了洗涤冷却室内气液连续相和离散颗粒相的流动形态、流动特征及分布规律。直观的揭示出了该洗涤过程中离散颗粒在洗涤冷却室内沉降、悬浮、被气体夹带及被飞溅液滴捕获的机理和过程。研究发现：在沿洗涤冷却室高度方向，颗粒浓度分布总体呈下降趋势；在液池内，颗粒浓度分布呈现波动形式；粒径较大的颗粒在液池中易于沉降，对其具有较好的洗涤分离效果，而粒径较小的颗粒沉降生较差，易在液池中悬浮；颗粒级配的改变对液池内的颗粒浓度分布影响较大，而对液面以上空间的颗粒浓度分布影响较小。　　 为研究洗涤冷却室内气液固三相体系中的相间分离特性，基于本文前面所建立并得到相关实验验证的CFD-VOF-DSMC数学模型，建立适于描述洗涤冷却室内含渣气体穿越液池过程中多相间分离行为的数学模型。首次对洗涤冷却室内含渣气体穿越液池过程中所存在的相间分离过程及行为进行了数值模拟研究，定量揭示并分析了其中的相间分离特性，得到了不同操作参数对气固分离性能的影响规律。研究结果表明：含渣气体穿越液池的洗涤净化过程对颗粒具有较高的捕集效率，依据本文的计算条件，计算得到的颗粒捕集效率可达97％以上；颗粒捕集效率随着颗粒粒径的增大而提高；随着气流速度以及冷却管浸没液池深度的增加，颗粒捕集效率相应提高，但其对颗粒捕集效率的影响逐渐减弱。　　 压力波动是影响设备稳定运行的重要因素之一。基于本文以上所建立的CFD-VOF-DSMC数学模型，采用数值模拟的技术手段，对洗涤冷却室内气体穿越液池的非定常流动过程进行数值实验研究，从中测得室内压力信号。研究发现：在洗涤冷却室内气体穿越液池的过程中存在着具有一定周期性的压力波动。通过快速傅里叶变换，分析了气流速度、液池静态液位等重要操作参数对室内压力波动特性的影响。将计算结果与实验结果进行对比，两者取得一致。研究还发现：随着气流速度及液池静态液位的增加，压力波动幅度增大，主频能量提高，频率改变不明显，主要集中在3～4Hz范围;相对于液池静态液位，气流速度对压力波动的影响更加显著。　　 洗涤冷却室内存在的气体带液问题是干扰系统稳定运行的关键问题之一。在分析气体带液及气液分离机理的基础上，将流体力学和液滴动力学理论相结合，在三维Euler-Lagrange框架下建立气体-液滴流动分离数学模型。基于该模型定量揭示并分析了洗涤冷却室气液分离空间内的气体-液滴流动及分离特性。模型中考虑了液滴的碰撞聚并行为。将实验数据与数值模拟计算结果进行对比验证，二者符合较好。发挥数值实验的优势，研究了洗涤冷却室气液分离空间内的气液流动分离过程，全面考察了液滴的运动规律，揭示了气液分离空间高度、气流速度和液滴速度等重要因素对液滴分离效率的影响规律。研究结果表明：液滴在飞溅进入气液分离空间后作减速运动；气液分离空间高度对液滴分离效率的影响是有限的，当分离空间增加到一定高度后其对液滴分离效率的影响减弱;随着液滴初始飞溅速度的提高，获得最大液滴分离效率所需的分离空间高度增大；在相同表观气速下，对于具有不同初始速度的液滴，其稳定后的分离效率几乎一致。　　 在气化炉洗涤冷却室内，经冷却环、冷却管激冷降温后的合成气在随后穿越液池的流动过程中，仍然存在着与冷却水之间的直接接触热质传递现象。基于本文前面气液两相流动的研究成果，建立适用于洗涤冷却室液池内气液两相间流动与热质传递体系的数学模型，对洗涤冷却室液池内的传热传质机理作了细致的分析。建立了单个高温气泡与冷却水之间的传热传质理论模型，从微观层面对洗涤冷却室液池内高温气泡与冷却水之间的传热传质规律进行了数值实验研究。获得了高温气泡在液池内上升冷却过程中的传热传质特性。探讨了气液间传热传质过程中的气泡尺寸、气泡温度、冷却水蒸发速率以及冷却水蒸发量等参数的变化规律；利用所建立的气液两相间动量、热量及质量同时传递数学模型，对高温、高压条件下气体穿越液池过程中的传热传质进行了数值模拟，从宏观层面揭示了洗涤冷却室液池内多气泡与液体间热质传递特征及规律。分析了高温气体在穿越液池的过程中，液池内气液两相的温度分布规律。探讨了不同气速、气泡尺寸、入口气体温度等因素对液池内气液两相温度分布特性的影响。通过体积传热系数表征了洗涤冷却室液池内多相流动与传热体系的相间传热效率，揭示了关键操作参数的影响规律。