纤维状多分散生物质颗粒在上升管道- elbow系统的传输行为数值研究

《Chemical Engineering Research and Design》：Numerical investigation on the transport behavior of filamentous polydisperse biomass particles in a riser-elbow system

　　

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  双排键合球链模型能够捕捉提升管弯头系统中丝状生物质颗粒的传输过程。
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  颗粒长度和混合比例会影响空间分布和传输行为。
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  颗粒平均速度在弯头处会降低。
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  弯头区域之后的颗粒绝对速度波动会减小。

引言

近年来，随着生物质能在清洁能源利用中重要性的增加，其在气力输送系统、流化床反应器和热化学转化设备中的应用显著扩展（Tang等人，2022年；Kardooni等人，2026年；Ibitoye等人，2023年）。在实际工程过程中，生物质原料通常以丝状颗粒的形式存在（Tesche和Krull，2021年；Alsaeedi等人，2026年）。这些颗粒具有较大的长径比和不规则的几何形状，导致其在气固流中的运动行为比传统的球形或近似球形颗粒更为复杂（Gu等人，2023年）。在典型的输送结构中，如提升管中，丝状生物质颗粒往往表现出空间分布不均匀、局部聚集以及明显的旋转和振荡运动（Zhao等人，2024a）。这些行为不仅会降低流动稳定性，还会增加能量损失和设备磨损（Chen等人，2022年；Ma等人，2022年）。以往关于气力输送的研究也表明，颗粒大小和管道结构会显著影响颗粒传输特性和流动稳定性（Zhou等人，2019年；Yu等人，2024年）。因此，研究提升管系统中丝状生物质颗粒的运动特性具有重要的工程意义（Kuang等人，2020年）。

在气固流系统的研究中，实验方法可以直接反映系统的整体运行状态，并在揭示宏观传输行为方面发挥重要作用（Punch等人，2025年）。然而，由于颗粒尺寸小且颗粒运动复杂，实验技术在获取颗粒尺度信息（如局部速度、力和能量演变）方面仍面临重大挑战，特别是在流动结构突然变化的区域，如提升管弯头处（Ebrahimi等人，2016年；Deng等人，2025年；Du等人，2024年；Sun等人，2024年；Xu等人，2022a）。随着计算方法的发展，数值模拟已成为研究颗粒运动行为的重要补充工具（Lavrinec等人，2020年；Han等人，2023年；Nath和Roy，2026年；Rajput等人，2026年）。在这些方法中，耦合计算流体动力学和离散元方法（CFD-DEM）模拟可以同时解决气相流动以及颗粒-颗粒和颗粒-壁间的相互作用，适用于描述颗粒碰撞、摩擦和旋转运动（Zhao和Zhao，2020年；Wang等人，2024年；Markauskas等人，2022年）。迄今为止，CFD-DEM已广泛应用于球形颗粒和一些非球形颗粒的流化和气力输送，取得了显著进展（Zhu等人，2025年；He等人，2024年）。

尽管如此，具有较大长径比和复杂结构特性的丝状生物质颗粒的运动行为仍难以准确描述（Jiang等人，2021年）。一方面，颗粒形状的不规则性显著改变了流体动力力和旋转动力学；另一方面，丝状颗粒在传输过程中容易发生定向变化和振荡运动，这进一步加剧了颗粒-颗粒和颗粒-壁间的相互作用（Xu等人，2022b；Ji等人，2023年）。最近的研究进一步表明，在不同条件下，颗粒形状的变化可能会在颗粒流中引起堵塞和强烈的聚集行为（Han等人，2025年）。大多数现有研究将生物质颗粒简化为等效球体或使用高度理想化的模型，这不可避免地忽略了真实几何特征对颗粒运动的影响（Zhong等人，2022年；Gao等人，2021年；Sun等人，2022年）。因此，有必要引入能够更好地表示丝状生物质颗粒结构特性的颗粒模型，以进一步分析其在提升管系统中的运动行为（Luo等人，2025年；Zhao等人，2024b；Yin等人，2023年）。

此外，在实际输送过程中，生物质颗粒很少是单一尺寸的，通常是多尺寸混合物（Song等人，2025年）。颗粒大小组成和混合比例会显著影响颗粒的空间分布、速度变化、分离行为和能量传递（Lungu等人，2022年；Li等人，2024年；Ding等人，2018年）。现有研究主要集中在单一尺寸系统或连续颗粒尺寸分布上，而对提升管中离散多尺寸丝状生物质颗粒的系统性研究仍然有限（Jian和Gao，2023年；Ji等人，2020年）。特别是在提升管出口弯头处，气流方向和强度的突然变化会强烈影响颗粒轨迹、速度分布和停留时间（Xiao等人，2023年；Xu等人，2020年；Yasser等人，2025年）。该区域通常是局部聚集和能量耗散的热点，但其背后的机制尚未完全明确。

基于上述考虑，本研究采用离散元方法，通过双排键合球链模型数值研究了提升管弯头系统中丝状生物质颗粒的运动行为。基于模型构建、实验验证和网格独立性分析，系统地考察了提升管中单一尺寸颗粒和不同混合比例颗粒的空间分布和速度特性。此外，还详细分析了颗粒动能演变以及弯头区域的速度分布和停留时间特性。本研究的结果为气力输送系统中丝状生物质颗粒的运动机制提供了见解，并为工程应用提供了有用的指导。

章节摘录

丝状生物质颗粒的离散元模型

本文中，丝状生物质颗粒通过一系列直径为0.5毫米的球体来建模，以反映其细长和柔性的物理特性。本研究研究了三种类型的生物质颗粒，每种颗粒由多个球体组成，其尺寸如表1所示。相邻球体通过虚拟键连接形成柔性链。这些虚拟键的效果相当于在球体之间添加了一组非线性弹簧。

模型验证

图4比较了实验和模拟中不同时间下的管内颗粒流动模式。可以看出，在实验和模拟中，丝状颗粒在整个管道中的分布都非常稀疏。

此外，还绘制了在不同表面气体速度条件下单位床高的实验和模拟压力降，如图5所示。在固定床模式下，压力降会增加。

结论

本研究使用双排键合球链模型的CFD-DEM方法研究了提升管弯头系统中多分散丝状生物质颗粒的传输行为。该模型再现了实验观察到的压力降特性、最小流化速度和整体颗粒流动模式，在宏观传输层面上具有合理的一致性。主要结论如下：

(1)

颗粒长度显著影响空间分布

Wenkui Zhu：正式分析。Xu BingYang：验证、正式分析。Zhu JingYu：撰写——原始草稿。Yufan Zhang：撰写——审阅与编辑、撰写——原始草稿、可视化、正式分析、数据管理。Hongrui Pang：正式分析、数据管理。Jiale Xu：撰写——审阅与编辑、撰写——原始草稿、可视化、正式分析、数据管理。Conghui Gu：撰写——审阅与编辑、资源管理、项目协调、资金获取、概念构思。

在本工作的准备过程中未使用生成式AI或AI辅助技术。

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢江苏省研究生研究与应用创新计划（项目编号SJCX25_2611）、国家自然科学基金（项目编号51906092）以及国家烟草专卖局/中国国家烟草总公司重点科学技术项目（编号110202102042、编号202022A WHZ03）的财政支持。

Jiale Xu|Hongrui Pang|Bingyang Xu|Wenkui Zhu|Yufan Zhang|Jingyu Zhu|Conghui Gu|Xingyu Liang|Huiqian Yin