使用VOF-IBM方法对粘性液体中气泡-颗粒相互作用状态的三相数值模拟

《Chemical Engineering Journal Advances》：Three-phase numerical simulation of bubble-particle interaction regimes in viscous liquids using a VOF-IBM approach

　　

本研究通过三相数值模拟研究了粘性液体中的气泡-颗粒相互作用，旨在理解在实际规模浆态鼓泡塔反应器（slurry bubble column reactor）中控制其相互作用状态的流体动力学（hydrodynamics）机制。该模拟方法结合了流体体积法（Volume of Fluid, VOF）用于追踪流体之间的界面，以及浸入边界法（Immersed Boundary Method, IBM）用于解析固-液界面。该数值框架首先根据文献中两个现有实验研究的数据进行了验证，显示了实施的正确性以及在预测相关界面物理（interfacial physics）方面的准确性。随后，研究人员将其用于在背景液体粘度变化的情况下进行气泡-颗粒相互作用的小尺度研究，揭示了不同的可能物理状态：穿透（penetration）、弹跳（bouncing）和穿梭（shuttling）。研究人员对系统进行了能量分析（energy analysis），特别关注颗粒动能（particle kinetic energy）与气泡界面能（bubble interfacial energy）之间的交换。结果证明，能量相互作用是从一种状态转变到另一种状态的关键因素。研究人员进行了两次不同的模拟系列：一次涉及沉降颗粒与上升气泡的在线碰撞（in-line collision），另一次涉及偏心碰撞（off-center collision），其中颗粒和气泡中心存在初始偏移。这两组模拟揭示了本研究密切探讨的基本差异。研究结果的主要贡献在于提供了气泡-颗粒相互作用流体动力学的小尺度物理洞察，这对于未来开发实际规模液-气-固系统的多尺度模拟方法（upscaling simulation methods）至关重要。

论文解读文章

**研究背景与问题**
多相流在工业应用中广泛存在，是多种化学过程的核心组成部分。尽管两相流（如悬浮液、乳液、泡沫）已得到广泛研究，但涉及两流体界面与固体相相互作用的三相系统在小尺度水平上的研究相对较少，尽管其在工业中具有极其重要的应用，例如浆态鼓泡塔反应器中的甲醇生产、浮选过程中的废水处理与采矿，以及气体扩散电极和电催化等环境可持续性与清洁能源生产领域。现有研究存在局限性：Abdal等人（2023）的数值研究虽描述了不同流体动力学行为，但背景流体粘度保持恒定；Outokesh等人（2023）的实验研究定义了四种状态，但受限于实验方法，无法进一步探究气泡变形相关的界面能变化。因此，研究人员开展本研究，旨在通过数值模拟揭示粘性液体中气泡-颗粒相互作用的流体动力学机制，填补现有文献中的空白，并为实际规模浆态鼓泡塔反应器的多尺度模拟方法发展提供小尺度物理洞察。论文发表在《Chemical Engineering Journal Advances》。

**主要关键技术与方法**
研究人员采用耦合的流体体积法-浸入边界法（VOF-IBM）方法，基于开源软件CFDEMcoupling（结合OpenFOAM用于流体求解和LIGGGHTS用于颗粒求解）实现。该方法通过连续惩罚力（continuous forcing）IBM处理固-液界面，使用VOF法中的MULES（Multidimensional Universal Limiter of Explicit Solution）方案追踪气-液界面，并利用离散元法（DEM）更新颗粒位置与速度。验证数据来自两个现有实验研究：Aristoff等人（2010）的水入口球实验和Outokesh等人（2023）的气泡-颗粒穿梭实验。网格分辨率设置为气泡直径40个单元、颗粒直径16个单元，背景液体粘度比（η^* = μ_f/μ_w）范围从10到50。

**研究结果**
**3.1 求解器验证**
研究人员通过网格收敛性分析，对比了不同密度比下球体入水深度随时间的变化，结果显示模拟结果与实验数据吻合良好，最大相对误差约5%，优于简化理论模型。进一步验证了气泡-颗粒穿梭状态，发现颗粒垂直速度变化与实验一致，两种网格分辨率（M1和M2）均能准确预测液体薄膜的停滞位置，且M2网格下颗粒和气泡终端速度误差分别小于2%和0.625%。

**3.2 粘性介质中的气泡-颗粒相互作用**
**3.2.1 在线碰撞**
当气泡与颗粒中心完全对齐时，仅观察到两种状态：低粘度（η^* ≤ 20）下的穿透状态和高粘度（η^* ≥ 22.5）下的穿梭状态。能量分析表明，在穿透状态下，颗粒动能（E_k）先被液体薄膜消耗，随后气泡界面能（ΔE_γ）增加至破裂点；在穿梭状态下，高粘度导致颗粒动能完全耗尽，颗粒速度反转并与气泡一同上升。临界转变发生在η^* = 20到22.5之间，此时颗粒动能降至零后，气泡界面能先导致短暂上升再破裂（穿透），或稳定承载（穿梭）。最大界面能随粘度增加而降低，无量纲相互作用时间在穿透状态随粘度增加而延长，而穿梭状态则持续上升直至离开计算域。

**3.2.2 偏心碰撞**
当颗粒与气泡中心存在初始偏移（z₀ = d_p/3）时，穿梭状态消失，代之以弹跳状态。能量分析显示，颗粒动能耗尽后，气泡恢复形状时将颗粒弹向侧面，导致颗粒获得微小向上动量后再次沉降，产生动能函数的第二个零点。弹跳状态的相互作用时间显著短于在线碰撞，最大界面能也较低，表明不对称条件降低了阻力，加速了动力学过程。穿透状态在偏心情况下与在线碰撞定性相似，但弹跳状态仅出现在高粘度（η^* ≥ 20）时。

**总结讨论与结论翻译**
讨论部分指出，本研究结果补充了Abdal等人和Outokesh等人的工作，揭示了能量交换在状态转变中的关键作用。在线碰撞和偏心碰撞的差异源于对称性破坏，后者导致弹跳状态取代穿梭状态。研究局限性包括：求解器未包含显式接触角模型（仅在低粘度下相关）；偏心碰撞仅考虑一个偏移值；未研究气泡-背景流体密度比等参数；均匀非自适应网格可能导致液膜厚度解析不足；未考虑颗粒旋转；连续惩罚力型VOF-IBM方法的渗透率处理需进一步不确定性量化。未来研究将聚焦于多尺度模拟方法的发展，利用本方法生成数据集以支持宏观模型。

**结论翻译**：
本研究引入了一种新颖的VOF-IBM方法，用于气泡-颗粒相互作用的小尺度模拟。该模拟方法基于开源软件CFDEMcoupling开发，其处理OpenFOAM框架（用于求解流体方程）与LIGGGHTS框架（用于求解颗粒方程）之间的耦合。该方法首先针对Aristoff等人和Outokesh等人的两个实验结果进行了验证，然后用于研究不同粘度背景流体中上升气泡与沉降颗粒之间的相互作用。结果识别了不同的状态，解释了颗粒动能与气泡界面能之间复杂相互作用背后的物理机制，补充了Abdal等人和Outokesh等人的前期工作，并随后提供了对工业浆态鼓泡塔反应器底层小尺度流体动力学现象的基本洞察。每个模拟案例的相关物理量全景图被报告，以帮助识别潜在趋势，并为未来研究提供基准，可能扩展至更完整的状态图或开发用于区分状态的事前标准。