基于CFD-DEM的二元流化床模拟与放射性粒子追踪实验验证及其对多相流反应器设计的启示

本文通过耦合计算流体力学-离散元方法（CFD-DEM）研究了二元颗粒体系在气固流化床中的尺寸分离动力学，重点分析了颗粒尺寸、气体入口速度及曳力模型对颗粒速度分布的影响。研究通过与放射性粒子追踪（RPT）实验数据对比，发现传统单一曳力模型难以同时准确预测平均速度与均方根（RMS）速度，提出通过引入缩放因子修正曳力可显著改善对局部异质性的捕捉。该工作为多相流反应器（如FCC、煤气化等）中复杂多尺度流动结构的精准建模提供了重要技术路径，对优化工业反应器设计与放大具有关键意义。

　　

Section snippets

Gas-phase governing equations

在CFD-DEM方法中，流体相的控制方程基于纳维-斯托克斯方程（Navier-Stokes equations）。Anderson和Jackson率先采用局部体积平均方法，严谨推导出宏观的体积平均Navier-Stokes方程。这些方程明确包含了空隙分数和相间动量交换项，定义了流体连续介质与离散颗粒相互作用时的行为。

Simulation details

本研究模拟了一个实验室规模的3D二元流化床，其直径为10 cm，高度为50 cm。模拟采用开源软件CFDEM（v3.8.0），该软件整合了OpenFOAM（v5.x）与LIGGGHTS（v3.8.0）。系统几何结构、床层材料和操作条件的选择与Roy等人的实验工作保持一致。选择该实验研究是因为其提供了详细的验证数据。

Results and discussion

本节结构如下：第4.1节首先讨论所有组分的最小流化速度（u_mf）的确定。第4.2和4.3节分别探讨整体床层行为和固体流动模式。第4.4节深入分析固体的速度分布，其中包含专门的小节，分析在1.1倍和1.6倍u_mf下轻颗粒（flotsam）和重颗粒（jetsam）组分的平均速度和均方根（RMS）速度剖面，以及...

Conclusions

本研究采用CFD-DEM模拟分析了发生尺寸分离的二元流化床。系统研究了在不同表观气速下，改变轻颗粒和重颗粒组分的质量分数对固体平均速度和时间平均轴向RMS速度剖面的影响，同时还分析了整体固体流动模式和床层行为。使用该模型准确预测了床层的分离行为。评估了...