《Powder Technology》：CFD-DEM simulation of liquid-solid two-phase flow characteristics in slender straight pipes
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液-固流化床技術在細長管熱交換器中的應用研究表明，通過CFD-DEM耦合模擬發現，液速對床層流動特性影響顯著，形成中心向上的穩定循環結構，顆粒分布存在入口與出口差異，壓力降和顆粒軸向速度響應在0.15m/s液速時達最小值，時間-頻率分析揭示流動從流體拖曳主導有序態向碰撞主導無序態轉變，可視化驗證了瞬態流動結構的時空演化規律，為受限空間內多尺度耦合機制研究提供理論支撐。
Jiuxuan Xiang|Hongliang Ding|Ke Chen|Aikun Tang|Yi Jin|Kehao Li|Yanlong Guo|Tao Cai
江蘇大學能源與動力工程學院，中國鎮江212013
摘要
由于液固流化床技術具有優異的熱量和質量傳遞特性，它已被廣泛應用于化學工程和能源領域。然而，對封閉空間內液固兩相流動機制的不足理解限制了設備設計的優化，尤其是在換熱器方面。本研究聚焦于細長管狀液固流化換熱器，采用計算流體動力學-離散元方法進行數值模擬。研究結合統計分析和信號處理技術，系統地闡明了懸浮在LQD350導熱油中的顆粒的流動演變特性。研究結果表明，表面液體速度對床層流動特性的影響遠大于粘度-溫度效應，形成了以中心向上流動和近壁向下運動為特征的穩定顆粒循環結構。在入口和出口區域觀察到顆粒分布的顯著不均勻性。瞬態特性分析表明，壓降和顆粒軸向速度響應時間在流速為0.15 m/s時達到最小值，這表明存在共同的能量傳遞機制或類似的動態傳遞函數結構。時頻分析揭示了顆粒運動從“以流體阻力為主的有序流動”到“以碰撞為主的隨機狀態”的過渡特性。兩相速度場的可視化展示了從均勻滲透到流動通道重組再到螺旋形高速通道的準周期性遷移的時空演變過程，驗證了瞬態分析在表征床層流動結構轉變方面的準確性。本研究闡明了封閉空間內液固流化的多尺度耦合機制，為液固換熱器的設計優化提供了理論基礎。
引言
液固流化技術通過流體介導的固體顆粒傳輸實現懸浮狀態，從而提供了傳統固定床反應器無法達到的優異熱量和質量傳遞性能。隨著能源轉型和綠色化學工程的進步，這項技術已在包括生物質轉化[1]、[2]和廢水處理[3]、[4]在內的新興領域得到廣泛應用，這得益于其卓越的熱性能和操作靈活性。液固流化系統涉及多種物理過程的耦合，包括顆粒-流體相互作用、顆粒-顆粒碰撞以及顆粒-壁面碰撞。這些相互作用在不同時空尺度上表現出顯著差異，從而給設計優化和工業放大帶來了挑戰[5]。在微觀尺度上，顆粒表面邊界層內的流動決定了碰撞恢復系數的動態演變[6]、[7]、[8]。在中觀尺度上，集體顆粒運動與湍流渦旋相互作用，形成團聚體和渦流等流動結構。在宏觀尺度上，整體床層流動特性由微觀和中觀尺度機制的統計平均決定，表現為均勻流化、湍流流化或循環流化等不同流動狀態，每種狀態都具有獨特的壓降特性、固體持留分布和傳熱系數。這種多尺度特性使得液固流化的理論分析和定量描述變得非常困難。
在液固流化流動特性領域，早期的研究主要采用實驗方法來測量宏觀流化特性，包括最小流化速度[9]、[10]、終端速度和阻力系數[11]、[12]以及床層膨脹特性[13]。隨著先進測量技術的發展，研究重點逐漸轉向局部流動結構的詳細表征。An等人[14]利用CCD成像技術發現，二維液固流化床中的顆粒以水平帶狀簇或團聚體的形式上升，為其中觀尺度流動結構分析奠定了基礎。Reddy等人[15]采用顆粒圖像測速技術證明了顆粒波動速度在軸向和徑向上的均勻分布，以及整個床層內相對穩定的湍流動能耗散率，表明系統內的湍流分布是均勻的。Nassima等人[16]通過激光測速測量發現，在高頻速度序列下存在隨機特性，這與小尺度顆粒運動相關。Maedeh等人[17]應用電阻層析成像技術測量了流化床中不同固體顆粒的體積分數波動，發現最大波動始終發生在狹窄的壁面區域，其幅度從近壁區域向床層中心逐漸減小——這一現象闡明了壁面效應對局部流動不均勻性的關鍵影響。基于這一對流動動力學的理解，研究人員隨后探索了越來越復雜的系統，包括二元顆粒[18]、[19]、非牛頓流體[20]、[21]、特殊流化床配置[22]、[23]、組件設計優化[24]、[25]以及傳熱和傳質現象[26]、[27]、[28]。這些研究共同推進了對液固流化多尺度機制的全面理解。
在理論建模方面，基于連續介質假設的雙流體模型和基于離散顆粒跟蹤的歐拉-拉格朗日模型，結合計算流體動力學方法，已成為研究液固流化流動特性的主要數值工具。Luo等人[29]通過數值模擬發現了流動結構的徑向不均勻性和軸向均勻性，表明通過增加表面液體速度可以緩解前者。Wang等人[30]的二維模擬顯示，隨著液體速度的增加和顆粒尺寸的減小，床層內固體濃度分布的均勻性顯著提高，為通過參數調節提高床層均勻性提供了可行的途徑。Khan等人[18]研究了不同質量比的顆粒組合對二元液固流化床膨脹行為的影響，發現床層膨脹比隨固體質量比的增加而減小，而隨流化速度比的增加而增大，遵循冪律關系。Puhan等人[31]同樣觀察到，增加表面液體速度可以增強床層膨脹，而固體顆粒分離現象可以忽略不計——這一發現有助于在特定操作條件下簡化模型假設。Victor等人[32]基于床層力平衡分析和阻力相關性估計了床層空隙率，其預測精度顯著優于Richardson-Zaki方程，從而為流化床中的精確空隙率預測提供了一種創新方法。Liu等人[33]采用多相顆粒-單元方法研究了液固流化床中的固體分離過程，發現修改固體直徑比可以有效增強固體分離，為特定過程中的顆粒分離提供了實用的操作策略。
盡管經典流化理論為床層膨脹和顆粒分布模式提供了基本見解，但它主要基于寬床的理想化假設或忽略了邊界效應，因此無法準確描述高顆粒尺寸與床層直徑比下的細長管狀結構內的液固兩相流動。實際上，這種特殊幾何形狀在工業應用中具有不可替代的地位，被廣泛應用于增強殼管式換熱器[34]、冰漿制備[35]、緊湊型生物反應器和廢水處理[36]、[37]等關鍵領域。然而，當前的學術研究主要集中在特定過程場景下提高宏觀性能指標，例如改進傳熱系數[38]或分析結晶回收率[39]，而對強壁約束下液固兩相流動機制的基礎研究仍然相對不足。特別是，現有文獻未能充分闡明封閉空間內的中觀流動結構和顆粒-壁面碰撞動力學耦合機制。特別是缺乏對顆粒運動模式的動態演變及其時頻特性的系統探索，這使得流動場結構的瞬態演變和系統動態響應難以準確預測。更嚴重的是，大多數研究僅限于觀察單一物理量，缺乏包含顆粒速度場、流體速度場和壓力場的綜合多物理場耦合分析。因此，封閉空間內液固兩相流動的基本異步響應特性和復雜的空間分布模式仍未得到充分闡明。
為了解決這些科學問題并推進當前的理解，本研究采用歐拉-拉格朗日數值模擬方法，結合統計分析和信號處理技術，系統地研究了細長管狀液固流化換熱器中的流動特性。通過建立考慮強壁約束和三維流動特征的細長管內液固流化的理論模型，闡明了封閉空間內的流動機制。隨后，提出了一種基于軸向區域演變和三維瞬態流動的時空相關分析技術的流動結構識別方法，定量表征了顆粒運動-流動場-壓力場關系的協同演變。同時，全面探討了包括表面液體速度和特征溫度在內的參數對流動行為的影響機制，徹底闡明了系統的時平均和瞬時流動特性，從而為液固流化換熱器的設計優化和工程應用提供了理論基礎。
章節摘錄
幾何模型
為了徹底闡明細長換熱管內液固流化系統的流動轉變機制和流化特性，本研究采用計算流體動力學-離散元方法（CFD-DEM）耦合方法對管側的液固兩相流動過程進行數值模擬。如圖1所示，選擇了一個內徑為39毫米、長度為2000毫米的圓柱形計算域進行模擬分析。
時平均流動特性
研究液固流化床的時平均流動特性是闡明多相流系統內部相互作用機制的基本方法。本節旨在分析流體特性溫度和表面液體速度對液固兩相系統準穩態流動行為的影響。使用宏觀參數，包括空隙率、床層壓降和顆粒速度等
結論
本研究采用耦合的CFD-DEM方法系統研究了細長直管內液固流化系統的流動特性。通過統計方法和信號處理技術，全面探討了操作參數和顆粒特性對流動行為的影響機制。主要結論如下：
(1) 表面液體速度對時平均床層流動特性的調節作用
CRediT作者貢獻聲明
Jiuxuan Xiang：撰寫——原始草案、研究、數據管理、概念化。Hongliang Ding：撰寫——原始草案、驗證、方法論、數據管理。Ke Chen：撰寫——審稿與編輯、方法論、數據管理、概念化。Aikun Tang：撰寫——審稿與編輯、監督、研究、概念化。Yi Jin：驗證、資金獲取、正式分析。Kehao Li：研究、正式分析。Yanlong Guo：驗證、方法論。Tao Cai：軟件
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的競爭財務利益或個人關系可能影響本文所述的工作。
致謝
本工作得到了江蘇省前沿引領技術基礎研究計劃（編號：BK20232022）的支持。
