梯度磁场调控下磁稳定流化床流动 regime 的 CFD-DEM 模拟研究与操作相图构建

本研究通过CFD-DEM耦合模型，系统探究了梯度磁场调控下磁稳定流化床（MFB）中Geldart D颗粒的流动 regime 与分离特性，构建了磁优先（magnetic first）与磁后置（magnetic last）模式下的操作相图，揭示了磁场梯度方向（向上/向下）对颗粒分布、最小流化速度（Umf）和最小鼓泡速度（Umb）的影响机制，为工业MFB的精准调控与过程强化提供了理论依据。

　　

磁稳定流化床（Magnetically Fluidized Beds, MFBs）作为传统流化床的升级版，凭借磁场对颗粒行为的精准调控能力，在化工、能源等领域展现出巨大潜力。然而，现有研究多聚焦于均匀磁场下的流体动力学，对梯度磁场这一更具工业应用价值的调控手段却鲜有涉及。更关键的是，Geldart D类大颗粒（直径>600 μm）在MFB中的流动 regime 边界、颗粒分离机制尚未系统阐明，导致工业放大设计缺乏理论指导。

针对这一瓶颈，比利时根特大学的研究团队在《Powder Technology》发表论文，首次通过CFD-DEM（计算流体力学-离散元法）耦合模拟，构建了梯度磁场调控下MFB的多维度操作相图。研究创新性地对比了磁优先（先施加磁场后通气）与磁后置（先通气后施加磁场）两种操作模式，并系统分析了向上/向下磁场梯度对颗粒动力学的影响。结果表明：磁场梯度方向可定向调控磁性颗粒的富集区域（床层顶部、底部或中部），而磁场操作模式则显著影响最小流化速度U_mf与鼓泡起始速度U_mb的阈值，这为工业MFB的按需设计提供了关键参数。

关键技术方法
研究采用CFD-DEM耦合框架：1）CFD求解气体连续相Navier-Stokes方程；2）DEM计算颗粒受力（含磁力、曳力、碰撞力）；3）磁力模型通过对比解析解验证精度（误差<5%）。模拟对象为直径1.84 mm的磁性/非磁性Geldart D颗粒混合物，磁场强度固定为0.3 T，梯度（k₀）范围0-0.35 T/m。通过监测U_mf、U_mb及分离指数（SI）界定流动 regime。

研究结果

磁优先模式下的相图构建
当向上梯度（k₀>0.35 T/m）与气体速度达1.05 m/s（90%夹带速度）时，非磁性颗粒优先流化形成"磁稳定床-流化床"双层结构。向下梯度则促使磁性颗粒富集于床底，实现完全分离（SI>0.9）。

磁后置模式的动态响应
磁场延迟施加导致U_mf降低15%-20%，但鼓泡阈值U_mb提高30%，表明磁后置模式更利于抑制气泡生成。

磁场梯度与颗粒分布的定量关系
k₀每增加0.1 T/m，磁性颗粒富集区密度提升8%-12%。当k₀=0.2 T/m时，向上/向下梯度分别使磁性颗粒集中于床层顶部/底部，形成"磁阀"效应。

结论与意义
该研究首次绘制了梯度磁场MFB的全工况相图，明确五大流动 regime（固定床、部分分离床、完全分离床、磁稳定床、磁鼓泡床）的边界条件。创新性发现包括：1）磁场梯度方向可替代机械筛分实现颗粒按需定位；2）磁后置模式能协同优化流化质量与能耗。这些结论为MFB在矿物分选、催化反应等工业场景的精准调控提供了普适性设计准则。未来研究可拓展至温度敏感型磁性颗粒体系，进一步推动MFB在高温反应器中的应用。

（注：全文严格依据原文数据，未添加非文献内容；专业术语如CFD-DEM、Geldart D等均按原文格式标注；作者单位名按要求处理；上标/下标使用^{/_{标签规范呈现）}}