Particle shape effect on hydrodynamics and heat transfer in spouted bed: A CFD–DEM study
鄂殿玉*，周鹏，郭苏雅，曾嘉，崔佳鑫*，蒋友源，陆元翔，姜泽毅，李政权，匡世波
Keywords: Spouted bed, Gas-solid flow, Particle shape, CFD–DEM, Heat transfer
DOI: 10.1016/j.partic.2021.11.009
喷动床作为典型的流态化设备，由于其具有较好的混合特性及热质传输效率，在煤气化、生物质合成燃料、铁矿石还原和焦炭活化等诸多热化学工艺中具有很大的应用前景，因而一直受到研究人员的重视。近日，江西理工大学鄂殿玉副教授、湘潭钢铁有限公司蒋友源高级工程师、北京科技大学姜泽毅教授和蒙纳士大学匡世波研究员在PARTICUOLOGY上发表研究论文，重点研究了非球形颗粒喷动床系统内流动、微观结构及传热特性；考察了颗粒形貌对床层孔隙度、气固流场分布、微观力构及颗粒系统的能量和传热行为的影响。通过数值模拟仿真，定量化解析了喷动床内颗粒床层的流态、能量及传热的演变规律，揭示了颗粒形貌对床层流态形成及传热效率的影响机制。
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研究背景
喷动床作为一种特殊的流化床，由于其具有良好的相间接触性及较高的传热效率，在化工、能源、农业和医药等行业中得到了广泛的应用。在这些行业的相关工艺过程中所涉及的颗粒超过70%呈非球形，由于喷动床内气固两相流系统本身的复杂性，床层内气固两相流动与传热特性很难被完全理解。目前国内外关于喷动床内部多相流传输的机理研究还多集中于球形颗粒系统，对非球形颗粒在喷动床内的动力学及传热特性等基础问题的研究和掌握还非常有限。因此，研究并掌握非球形颗粒在喷动床中的流动、微观结构及传热特性对于喷动床的结构设计、工艺参数优化和应用推广具有重要意义。
论文亮点
※ 构建多相流仿真模型，从颗粒尺度上解析了不同形貌颗粒在喷动床内的动力学行为、微观结构及传热特性。
※ 研究发现喷动床内非球形颗粒有更大的曳力和转动能，因而形成了更大波动的流态。
※ 研究揭示了喷动床内扁球形颗粒床层相较球形颗粒有更好的传热效率，而椭球形颗粒呈相反趋势的内在机理。
图文精读
颗粒形貌对喷动床内颗粒床层的流态及微观结构有较大的影响。图1对比分析了3种形貌颗粒体系（Ar=0.64, 1, 2.4）在喷动床内的动力学行为及微观结构特性。由图1(a)可以看出，非球形颗粒相比于球形颗粒有着更好的流动性，尤其是椭球形（Ar=2.4）颗粒，主要原因是非球形颗粒的堆积结构在底部喷入气流的冲击下，颗粒间的联锁结构更加容易被破坏，同时构建的非球形颗粒的粗糙表面和所受到的不均匀力矩使其产生了更大的转动能。此外，从图1(b)和(c)可以看出，同体积非球形颗粒由于其相对较大的表面积，呈现更好的接触结构，且所受气体作用力大于球形颗粒。
图1. 不同形貌颗粒在喷动床内的动力学及微观结构特性：(a) 流态演变; (b) 气固流场及配位数分布; (c) 颗粒平均曳力演变
图2给出了3种形貌颗粒在喷动床气固两相流系统内传热特性的定量化对比分析。由图2可以看出，整体上床层内3种颗粒平均温度随时间不断上升，扁球形颗粒（Ar=0.64）的升温速率最高，球形（Ar=1）次之，椭球形（Ar=2.4）最低且颗粒传热过程的对流热通量波动较大。从图3可以看出扁球形颗粒床层中的高温颗粒比例大，颗粒温度区间更广，主要原因是扁球形颗粒相对于球形颗粒有着较大的表面积优势，能够更大增强气流与颗粒间的对流传热效率；而椭球形颗粒相对于球形颗粒的没有较明显的表面积优势，反而由于其较大的长径比使其在床层中有方向性分布的情况减小了其传热效率，导致了比球形颗粒更差的传热特性。
图2. 不同形貌颗粒在喷动床内的传热特性：(a) 颗粒平均温度和(b)平均对流热通量随时间的演变
图3. 不同形貌颗粒温度概率密度分布曲线：(a) Ar=0.64；(b) Ar=1；(c) Ar=2.4
总结与展望
本文基于多尺度多相流数值模拟方法研究了非球形颗粒喷动床系统内动力学、微观结构及传热特性。研究发现颗粒形貌对喷动床内气固两相流态有着重要的影响，非球形颗粒展现出比球形颗粒更好的移动性和流动性；等体积大小的扁球形颗粒由于其较大的表面积增强了气体和颗粒间对流传热；同时发现非球形颗粒分布的方向性也会在一定程度上影响颗粒的传热效率。这些研究结果从微观颗粒尺度加深了人们对非球形颗粒喷动床内流动和传热的理解与认知，为后续复杂反应器设计开发、工业应用与操作提供了理论参考。
通讯作者
鄂殿玉，江西理工大学国际创新研究院副教授，余艾冰院士秘书，江西省颗粒系统仿真与模拟重点实验室副主任。主要从事颗粒系统、颗粒-流体多元多相物质流动、传热传质和相变转化过程的基础研究，以及冶金流程工业智能化和绿色低碳冶炼的基础科学和应用研究。主持/参与国家重点基础研究发展计划、国家科技支撑计划、国家自然科学基金等国家、省市级和企业委托及产业化开发项目12项。近五年发表SCI检索学术论文近30篇（含高被引），出版英文专著1部，申请及授权国家/国际发明专利20余项，授权软件著作权20余项。
供稿：原文作者
编辑：《颗粒学报》编辑部