容器壁面波纹结构对球形颗粒随机填充床壁面效应的抑制研究

本文通过数值模拟研究了正弦波纹壁面对球形颗粒随机填充床（Dc/Dp=10/15/20）中壁面效应（wall effect）的抑制效果。研究发现，当波纹波长（λ）和振幅（A）分别优化为4Dp和0.6Dp时，可显著降低近壁区（5Dp范围内）的孔隙率振荡，为催化反应器（如滴流床反应器TBR）的流动均匀性改善提供了新思路。

　　

研究亮点

本研究首次系统评估了正弦波纹壁面（sinusoidal wall corrugation）对球形颗粒随机填充床结构的影响。通过建立验证的数值模型，我们发现波纹参数（λ/D_p=0.5-4.0，A/D_p=0.1-1.5）能显著改变近壁区颗粒排列——当λ≈4D_p和A≈0.6D_p时，孔隙率振荡幅度降低达40%，这为缓解传统催化反应器中壁面通道效应（wall channeling）提供了工程优化方案。

研究对象

聚焦圆柱形容器内单分散球形颗粒随机填充床，重点分析波纹壁面对两个关键区域的影响：①壁面直接接触区；②5D_p范围内的过渡区。通过对比未修饰光滑壁面（uncorrugated wall），量化波纹结构对颗粒有序化（particle ordering）的抑制作用。

随机填充床生成方法

采用参数化研究覆盖D_c/D_p=10/15/20三种工况，累计生成1830组模拟案例。通过局部孔隙率变异系数（void fraction variability）映射，首次揭示了波纹尺度与壁面效应的非线性关系——当波纹特征尺寸显著大于颗粒直径（λ>2D_p）时，能有效打破颗粒的层状排列。

结论

波纹壁面通过以下机制改善填充均匀性：①破坏壁面诱导的颗粒结晶化排列；②减少近壁区"拱桥效应"（arching effect）；③使过渡区孔隙率分布更平缓。该发现对多管式催化反应器（multitubular reactors）的壁面工程设计具有直接指导价值。

未来研究方向

建议延伸至：①多分散颗粒体系（polydisperse particles）的耦合效应；②非球形颗粒的取向调控；③实际反应条件下波纹结构的长期稳定性验证。这些工作将推动从实验室模拟到工业应用的转化。

（注：翻译严格保留原文技术细节，如D_c/D_p等符号格式，并通过"拱桥效应"等拟人化表述增强可读性）