《Journal of Chromatography A》：Numerical simulation of the retention mechanism of stationary phase in counter-current chromatography
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专业术语翻译：
逆流色谱（counter-current chromatography，CCC）自20世纪70年代问世以来，已成为一种先进的技术，因其连续萃取、易于放大以及消除不可逆吸附等独特优势而备受青睐。CCC的功效依赖于在特定力场作用下，螺旋管内两种不混
专业术语翻译：
逆流色谱（counter-current chromatography，CCC）自20世纪70年代问世以来，已成为一种先进的技术，因其连续萃取、易于放大以及消除不可逆吸附等独特优势而备受青睐。CCC的功效依赖于在特定力场作用下，螺旋管内两种不混溶液相之间建立稳定的流体动力学平衡。根据流体动力学平衡原理，一相被证明可保留在管内，而另一相则表现出相对较高的流速。通常，只有当流速和固定相保留因子Sf（定义为固定相占总柱体积的比例）均足够高时，才能实现两相之间连续高效的分离。近年来，尽管在优化柱几何结构和溶剂体系方面持续努力，但在固定相保留方面取得根本性突破仍是一项重大挑战。这一持续存在的困难主要源于对控制相保留的潜在流体动力学机制理解不完整。自开创CCC技术以来，Yoichiro Ito致力于阐明螺旋管内两相流体动力学平衡的原理。然而，由于当时分析手段的局限性，这些发现主要局限于运动学分析和经验观察。例如，在最近的一项研究中，Ito通过分析螺旋管旋转过程中作用于两相的复杂离心力场，提出了一种机械假说来解释基本的单向流体动力学平衡。Ito的机械假说假设阿基米德螺旋效应由沿螺旋管的切向力分量驱动，而径向分量则作为反作用力。尽管该假说为理解头尾分布提供了基础框架，但它主要源于运动学假设，缺乏通过现代模拟或实验测试的严格验证。此外，其纯宏观视角限制了其指导实际技术改进的能力。基于Ito的基础性贡献，多位研究者尝试从物理学角度为阿基米德螺旋效应的起源和保留机制提供更科学的解释。Yue、Hugh等人的一项研究分析了不同洗脱模式下的两相分布图像。研究人员得出结论，在旋转螺旋管内，离心力仅为两相平衡提供静水压力，固液摩擦力是两相头尾运动的主要驱动力。换言之，阿基米德螺旋效应在物理上表现为两相在旋转方向上由管壁施加的摩擦力驱动的加速运动。当流动相流动时，切向离心力、固液摩擦力和液液摩擦力之间的相互作用导致流动相实际流速的变化，从而影响Sf。与实验观察的局限性相比，CFD模拟通过绘制速度矢量、流线或等值线图，有助于可视化两相流动特性。此外，CFD动态模拟可持续描绘两相行为的演变，从而为阐明固定相保留机制提供直接证据和见解。然而，CFD数值建模在CCC螺旋管内两相流中的应用仍然有限且面临重大挑战。在有限的螺旋CCC柱两相流CFD研究中，K?nig和Sutherland基于实验几何开发了一个完整的5.5圈DF-CCC螺旋柱的二维移动网格模型。在该DF-CCC构型中，两种液相以相反方向连续泵送。所报告的模拟侧重于早期填充阶段，并比较了两种旋转方向对相进入、混合波、特征性swish-swash运动以及进出口行为的影响。由于这些计算涉及DF-CCC中的早期填充，因此未考察整个螺旋管内持续保留相分布的发展，也未考察本文所述操作条件下固定相保留的机制。因此，持续固定相保留的流体动力学基础尚未通过CFD得到充分探索。为解决这一空白，本研究开发了一个CFD模型，用于探索CCC中的两相流体动力学平衡过程。在设计该模型时，研究人员考虑到完整的三维公式将显著增加解析液液界面的计算成本以及在长时间瞬态模拟中实现收敛的难度，同时还需要对与阿基米德螺旋效应相关的近似螺旋力项进行更复杂的三维表示。鉴于本研究的探索性和定性目标，研究人员采用了与K?nig和Sutherland类似的简化二维框架。然而，与他们的移动网格方法不同，本模型保持螺旋管计算域静止，并施加与时间相关的旋转力场。通过这种简化公式，研究人员考察了是否能在整个螺旋管中形成持续的保留相分布，然后分析模拟的相分布和速度场，以建立固定相保留的合理机制解释。
论文解读文章：
一、研究背景与问题
逆流色谱（counter-current chromatography，CCC）自20世纪70年代问世以来，凭借其连续萃取、易于放大以及无不可逆吸附等独特优势，已成为天然产物分离纯化领域的重要技术手段。CCC的分离效能依赖于在特定力场作用下，螺旋管内两种不混溶液相之间建立稳定的流体动力学平衡。根据这一平衡原理，一相可被保留在管内，而另一相则以相对较高的速度通过。通常，只有当流动相流速和固定相保留因子Sf（固定相占总柱体积的比例）均足够高时，才能实现两相间连续高效的分离。
尽管近年来研究人员在优化柱几何结构和溶剂体系方面持续投入，但在固定相保留方面取得根本性突破仍是一项重大挑战。这一困境主要源于对控制相保留的潜在流体动力学机制理解不完整。自开创CCC技术以来，Yoichiro Ito致力于阐明螺旋管内两相流体动力学平衡原理，但由于当时分析手段的局限性，其研究成果主要局限于运动学分析和经验观察。Ito曾提出一种机械假说，认为阿基米德螺旋效应由沿螺旋管的切向力分量驱动，径向分量则作为反作用力。然而，该假说缺乏通过现代模拟或实验测试的严格验证，且其纯宏观视角限制了指导实际技术改进的能力。
在此基础之上，Yue、Hugh等人的研究通过分析不同洗脱模式下的两相分布图像得出结论：在旋转螺旋管内，离心力仅为两相平衡提供静水压力，固液摩擦力才是两相头尾运动的主要驱动力。换言之，阿基米德螺旋效应在物理上表现为两相在旋转方向上由管壁摩擦力驱动的加速运动。尽管可视化研究使研究人员能够直观理解CCC保留行为的驱动力，但流体动力学如何阻止固定相被流动相冲走仍不清楚，阐明这一机制对于开发增强保留能力的新策略至关重要。
二、研究内容与意义
为解决上述问题，本研究开发了一个CFD模型，用于探索CCC中的两相流体动力学平衡过程。研究人员考虑到完整的三维公式将显著增加解析液液界面的计算成本以及长时间瞬态模拟中实现收敛的难度，同时还需对与阿基米德螺旋效应相关的近似螺旋力项进行更复杂的三维表示，因此采用了简化的二维框架。与K?nig和Sutherland的移动网格方法不同，本模型保持螺旋管计算域静止，并施加与时间相关的旋转力场。通过这一简化公式，研究人员考察了是否能在整个螺旋管中形成持续的保留相分布，并分析模拟的相分布和速度场，以建立固定相保留的合理机制解释。该研究为未来CCC的三维CFD研究提供了建模基础。
三、关键技术方法
研究人员构建了一个二维螺旋管计算域，几何模型以O点为中心，公转半径R为101.6 mm，螺旋管内径5 mm，包含5.5圈顺时针螺旋。网格采用映射网格法生成，最终包含153,595个域单元和21,487个边界单元，最小网格质量0.9867，平均质量0.9904，并通过网格独立性研究验证了网格分辨率。在建模策略上，研究人员保持计算域静止，施加随时间变化的旋转力场，避免了移动网格的数值复杂性。控制方程采用连续性方程和Navier-Stokes动量方程，两相均建模为不可压缩牛顿流体，物理性质与溶质浓度无关，在等温假设下忽略粘性耗散效应。力场建模涵盖与螺旋管行星运动相关的三类力。
四、研究结果
关于力场建模与相分布模拟：研究人员对与螺旋管行星运动相关的三类力进行了建模，包括公转离心力、自转离心力以及阿基米德螺旋效应相关的近似螺旋力。通过施加随时间变化的旋转力场，模拟了CCC中三种流体行为，考察了螺旋管内能否形成持续的保留相分布。模拟结果表明，在旋转力场作用下，螺旋管内能够形成持续的保留相分布。
关于机制解释：研究人员通过分析模拟的相分布和速度场，提出了固定相保留的机制解释。该解释从流体动力学角度阐明了固定相如何在与流动相的相互作用中得以保留，为理解CCC的保留行为提供了物理层面的依据。
关于模型验证与展望：研究证实了该建模方法的可行性，为未来三维CFD研究提供了基础。与K?nig和Sutherland的移动网格方法相比，本研究采用的静止域加旋转力场策略更有利于长时间瞬态模拟的收敛和计算效率。
五、讨论与结论
本研究通过二维CFD模型成功模拟了CCC螺旋管内两相流体动力学平衡过程，验证了静止计算域配合时变旋转力场这一建模策略的可行性。该策略避免了移动网格的数值复杂性，有利于长时间瞬态模拟的稳定进行。研究结果表明，在旋转力场作用下，螺旋管内能够形成持续的保留相分布，这为理解CCC中固定相保留机制提供了新的视角。研究人员提出的机制解释从流体动力学角度阐明了固定相保留的物理基础，弥补了以往研究主要依赖运动学分析和经验观察的不足。该建模方法为未来开展三维CFD研究奠定了坚实基础，有望推动CCC技术的理论发展和工程优化。
