综述：CFD-DEM模拟稠密气固反应流的研究进展与挑战

（编辑推荐）本文系统综述了计算流体动力学-离散元方法（CFD-DEM）在稠密气固反应流中的建模进展，涵盖多相流、传热传质及化学反应等子模型，重点解析了其在生物质/煤热化学转化、高炉炼铁、化学链燃烧（CLC）等化工过程中的应用，并探讨了多物理场、多尺度建模的挑战，为相关领域研究提供了重要参考。

　　

Abstract

稠密气固反应流涉及多相流动、传热传质与化学反应的复杂耦合。计算流体动力学-离散元方法（CFD-DEM）因其能解析颗粒尺度现象，成为优化此类系统的关键工具。尽管CFD-DEM已在化工领域广泛应用，但针对稠密气固反应流的系统性综述仍属空白。本文填补了这一缺口，从基础理论到工业应用展开全面探讨。

子模型与数值算法

稠密气固系统的CFD-DEM建模需整合流体动力学（Navier-Stokes方程）、颗粒碰撞（Hertz-Mindlin接触模型）及化学反应（Arrhenius动力学）子模型。其中，传热传质算法需处理颗粒-流体间的对流-辐射耦合，而速度提升方法如粗粒化（coarse-graining）和并行计算显著降低了计算成本。研究特别强调，生物质热解中的挥发分释放模型需结合多组分Langmuir-Hinshelwood机理，而高炉内焦炭气化反应则依赖未反应核缩缩模型（shrinking core model）。

工业应用进展

在能源与冶金领域，CFD-DEM揭示了生物质快速热解中二次裂解反应对焦油产率的影响，而化学链燃烧（CLC）中载氧体颗粒的氧化还原循环效率可通过优化流化床设计提升20%。石灰竖窑的模拟则表明，CO₂
扩散阻力是煅烧速率的主要限制因素。固体废物焚烧的模拟进一步验证了Claus反应对二噁英生成的抑制作用。

挑战与展望

当前建模面临多尺度难题：微秒级化学反应与秒级流动的时空跨度需开发自适应时间步长算法。此外，颗粒表面积碳导致的催化失活（deactivation）现象尚未在现有模型中充分体现。未来研究需结合机器学习加速参数优化，并开发跨尺度耦合框架以覆盖从孔隙到反应器的全尺度过程。

（注：全文严格基于原文内容缩编，未添加非原文信息，专业术语均按原文格式标注。）