流体化床中粗糙球形颗粒的CFD-DEM粗粒化模拟方法改进及能量耗散机制研究

为解决粗粒化离散元方法(CGDEM)在模拟流体化床中粗糙非弹性球形颗粒时能量耗散低估的问题，研究人员提出了一种融合旋转惯性效应的改进碰撞模型(CMF/R)。通过推导法向恢复系数新公式，在鼓泡床和喷动-流体床中验证表明，该模型较传统CGDEM显著提升精度，相对误差降低，为工业规模气固流动模拟提供了高效高精度解决方案。

　　

在工业领域广泛使用的气固流化床中，理解颗粒流动规律对优化反应器设计至关重要。然而，传统离散元方法(DEM)需要追踪每个粒子的运动，当面对工业规模10⁹-10¹³量级的颗粒时，即使使用超级计算机也难以实现。虽然粗粒化离散元方法(CGDEM)通过粒子包裹策略降低了计算量，但现有模型仅考虑非弹性耗散，忽略了摩擦和旋转惯性对能量耗散的影响，导致模拟精度不足。

针对这一瓶颈问题，中国的研究团队在《Powder Technology》发表研究，提出创新性解决方案。研究采用MFIX软件平台，结合CFD-DEM耦合算法，通过改进法向恢复系数计算公式，建立了考虑摩擦/粗糙度耗散(CMF/R)的新型碰撞模型。关键技术包括：基于能量等效原则推导粗粒化参数、采用软球模型处理颗粒接触、在鼓泡床和喷动-流体床中进行多场景验证。

模型推导
研究突破性地将颗粒旋转惯性纳入平动能耗散方程，通过使粗粒化模型耗散等于真实颗粒的条件，推导出新的法向恢复系数计算公式。相比传统仅考虑非弹性的粗粒化策略，该模型首次统一处理了表面粗糙度和摩擦效应。

数值模拟
采用MFIX-DEM计算框架，流体相通过CFD求解，固相通过DEM软球模型处理。对比了传统CGDEM、仅考虑摩擦的CMF模型和新型CMF/R模型，其中CMF/R通过调整弹簧刚度α³倍缩放保持能量一致性。

鼓泡床验证
在0.15m高度的喷动-流体床中，CMF/R模型显示出最小相对误差。模拟数据与Muller等的实验结果对比表明，该模型能更准确反映真实颗粒碰撞动力学，尤其在颗粒密集区域显著优于传统方法。

结论
该研究建立的CMF/R模型通过整合旋转惯性和摩擦耗散机制，有效解决了CGDEM能量耗散低估的核心问题。在两种典型流化床中的验证证实，新模型在保持计算效率的同时，将法向恢复系数计算精度提高30%以上，为大规模工业反应器模拟提供了可靠工具。

这项工作的科学价值在于：首次在粗粒化框架中建立了旋转-平动能量耦合耗散理论；工程意义体现在为10⁶级以上颗粒系统的精准模拟开辟了新途径。研究获得国家重点研发计划支持，相关成果可直接应用于化工、能源等领域的反应器优化设计。