华南理工大学&中科院过程所综述：粗粒化CFD-DEM技术的发展及其在流化床中的应用--颗粒学报PARTICUOLOGY

本综述系统地对粗粒化技术的起源、发展以及多尺度应用进行了枚举和总结。按时间顺序概述了基于相似性原理和能量守恒原理的粗粒化方法的缩放规则；归纳总结了粗粒化技术分别在实验室、中试以及工业规模流化床（鼓泡床、喷动床、多分散系统等）以及冷、热态条件（如，生物质热转化、铁矿石还原等）下的应用现状以及方法的二次开发；提出了粗粒化技术在应用过程中面临的机遇和挑战。文章通过翔实的总结与归纳，为现有模型优化和新技术的开发以及应用提供了系统的理论基础。

相关研究成果发表于PARTICUOLOGY（Volume 106），欢迎感兴趣的读者扫描下方二维码或者点击文末“阅读原文”进入ScienceDirect官网阅读、下载！

研究背景

流化床凭借其优异的混合、传热和传质性能，被广泛应用于冶金、化工、能源等行业。然而，反应系统内难以数计的均相/非均相反应以及分子、颗粒和反应器之间极其复杂的强耦合传递作用，导致传统的理论分析和非浸入式实验手段难以准确描述这些非线性时空演化细节。以计算流体力学（computational fluid dynamics, CFD）为主的数值模拟方法已然成为揭示系统内多相传递过程不可或缺的补充手段。随着研究尺度从实验室迈向工业级规模，系统内颗粒数量的指数级激增使传统的离散元法（discrete element method, DEM）、直接数值模拟（direct numerical simulation, DNS）等多相流数值模型的计算可行性面临巨大挑战。为了兼顾宏观预测精度和计算效率，粗粒化CFD-DEM方法应运而生，并被广泛用于模拟各种稠密多元颗粒体系（如，流化床反应器等）。由于流化床反应器种类繁多且涉及领域广泛，在利用粗粒化方法时需遵循不同的缩放范式，导致系统内颗粒间碰撞、受力以及气固物性等参数的修正规则复杂多样，目前尚未形成统一标准。基于此，本综述针对流化床中粗粒化CFD-DEM技术的发展与应用现状进行了系统翔实的总结与归纳，并针对现存问题与未来挑战，提出了相应的对策及建议。

图1. 过去25年间公开发表的与粗粒化技术相关的文章数量与引用情况

要点精读

1. 粗粒化CFD-DEM方法的理论基础与发展

基于相似性原理的粗粒化方法，其核心思想是在粗粒化过程中保持无量纲数（如阿基米德数、雷诺数等）不变，或者通过建立几何、力学和动力学三相似原则，并同时调整流体和颗粒属性（如密度、黏度等）参数，使粗粒化后系统与原始系统的动力学行为相似。基于该思想建立的方法适用于由流体引起颗粒运动的系统，但应用于传热、传质和化学反应的复杂体系模拟中，所涉及材料属性参数的修正可能需要复杂的缩放规则。

基于能量守恒原理的粗粒化方法，其核心思想是假设粗粒化前后的颗粒具有相同的平移和转动速度。基于该原理，可以直接对颗粒受力进行缩放，或者通过调整颗粒碰撞参数（如刚度系数、阻尼系数等）完成颗粒受力的间接缩放，即使是模拟传热、传质体系，也不会改变系统中材料的特性。另外，反应系统中各种传热机制（如颗粒-颗粒、颗粒-壁面、颗粒-流体-颗粒间传热、辐射传热以及反应热等）也被认为是可直接缩放的。但随着探索的深入，有研究人员（Munck等，2023）打破了传统的根据比例缩放的模式，他们根据原始系统和粗粒化后系统中的普朗特数和孔隙率应保持不变的原则，通过修正对流换热系数确保了颗粒与气体间传热过程的合理性，批判性地回应了传热机制可被直接缩放的观点。

图2. 基于相似性原理和能量守恒原理的粗粒化方法

2. 粗粒化CFD-DEM方法的应用与技术发展

实验室规模的冷态模拟

目前，主要对鼓泡床和喷动床反应器进行了系统的模拟。其中，针对鼓泡床反应器，主要侧重于高粗粒比与阻力模型选择、颗粒间碰撞参数校准、网格分辨率设计以及模拟域尺寸相关的研究。针对喷动床反应器，侧重于操作参数对气固流体力学的影响，如不同阻力模型、气体流速和导流板对床中固相流型、喷嘴稳定性和颗粒停留时间的影响；基于MFiX平台粗粒化方法的喷动速度、颗粒载荷和倾斜角度等对流体动力学的影响；以及基于Lanczos正交分解技术开发的一种模态分析方法，并进行复杂颗粒流动的深入分析。另外，还针对旋转流化床、振动流化床、脉冲流化床以及空气致密介质流化床等进行了研究。

在多分散颗粒系统中，颗粒的粗粒化方法主要有相同统计权重法（same statistic weight method, SSW）和相同尺寸包裹法（same size parcel method, SSP），其中，SSW法更适用于颗粒流和致密流化床系统的模拟。在此基础上，Brandt等（2024）开发了一种细化和粗化结合的多步粗粒化策略，该方法有效地克服了由几何收缩引起的限制性。Yu等（2025）针对双分散体系开发了一种可重叠的粗粒化框架，解决了因颗粒粗粒化引起的堆积固体体积分数预测精度不足的问题。

对粗粒化方法的二次开发以及方法集成，主要包括，与直接模拟的蒙特卡罗方法耦合，很好的平衡了密相颗粒系统的计算精度和计算效率；与浸入边界法耦合，解决了对高颗粒数与反应器几何形状带来的复杂性；与动态颗粒群破碎及聚合模型耦合，解析粗粒化后引起的颗粒基团的破碎和聚合；与混合阻力模型或滚动摩擦模型结合，解析了非球形颗粒的混合动力学以及作用机制；与多层网格集成，实现了捕获中尺度结构的可能性；等等。

实验室规模的热态模拟

主要聚焦于生物质热解和气化、塑料热解、臭氧分解、铁矿石颗粒直接还原以及Wurster床中传热传质等过程的解析。

中试规模到工业规模的冷/热态模拟

鉴于粗粒化CFD-DEM方法在计算精度方面的优势，已对中试以及工业级规模下的许多热反应过程进行了系统性的模拟研究。方法的优化方面主要有，利用能量最小多尺度（energy-minimization multi-scale, EMMS）-离散颗粒模型（discrete particle method, DPM）与虚拟过程工程（virtual process engineering, VPE）和中央处理器（central processing unit, CPU）-图形处理器（graphics processing unit, GPU）异构算法的耦合；粗粒化方法与时间驱动硬球模型（time-driven hard-sphere model, TDHS）、不同阻力模型等耦合。目前主要应用于模拟中试规模的鼓泡流化床中甲醇制烯烃过程、煤气化炉以及工业规模的最大化异烷烃反应器等。

图3. 粗粒化技术在冷/热态条件下实验室-中试-工业规模流化床系统中的应用

3. 粗粒化CFD-DEM方法面临的问题以及挑战

粗粒化CFD-DEM方法无论在模型优化和二次开发，还是在应用领域的拓展方面，均已展现出惊人的优势。但方法本身仍存在一些缺陷，由此，作者针对性的提出了相应的对策以及建议：（1）由于粗粒比增加引起不合理的颗粒能量耗散，不仅影响计算精度，还会导致求解过程发散，因此，还需继续关注关键参数（如，阻尼系数、摩擦系数、恢复系数、弹簧刚度、阻力系数、阻力、压力梯度力、接触力、网格尺寸以及气固两相特性等）的修正；（2）粗粒比增加会导致数值分辨率呈指数下降，因此，应考虑高粗粒比（大于3）条件下，粗颗粒内的空隙率、颗粒之间的相互作用，以及传热机制等；（3）面对工业规模反应器中颗粒粒径阈值大、反应系统几何结构复杂的事实，需开发自适应的结构模型和粗粒比调控策略（如，粗粒化过程中实时合并和分裂机制等）；（4）网格尺寸与粗颗粒粒径的匹配问题；（5）针对非球形颗粒系统的方法应用；（6）目前基于VPE系统的模拟已实现10亿个颗粒的计算，但计算效率的提升并不显著，希望通过人工智能算法在CPU/GPU架构与粗粒化方法中的加持，促进加快实现工业规模的计算模拟。

主要结论

（1）粗粒化方法的建模思路主要基于相似性原理和能量守恒原理，其中，后者为当前模拟多相稠密体系的主流策略。

（2）粗粒化CFD-DEM方法的开发平台主要有DEMms、LIGGGHTS、MFiX、OpenFOAM、 STAR-CCM+。

（3）目前，冷态和实验室规模粗粒化CFD-DEM方法的计算精度已满足要求，而中试以及工业规模的方法应用，由于受到大粗粒比条件下引发不合理的颗粒能量耗散、中尺度结构（如团簇）的时空演化、曳力模型的修正以及碰撞参数的缩放规则等多方面因素的影响，仍处于发展阶段。

（4）未来的研究工作将侧重于解决球形和非球形多相体系内颗粒能量耗散、高粗粒比条件下的高保真模拟、自适应粗粒化技术以及粗粒度与离散网格尺寸匹配等问题。

作者/通讯作者简介

任冠龙，华南理工大学轻工科学与工程学院2023级博士研究生，研究方向为粗粒化CFD-DEM方法优化及其在生物质热解中的应用，空天动力推进系统（驻涡燃烧室、粉末发动机中供粉单元）的结构优化及气固多相模拟。发表文章10余篇，申请发明专利1项、实用新型1项。曾获江西省政府奖学金、江西省第十六届运动会乒乓球比赛（学校部高校组）男子双打第五名、第十届全国大学生数学竞赛决赛（非数学类）二等奖等。

徐骥，中科院过程所研究员，主要研究方向为复杂气固两相流体系模拟，大规模高性能多尺度离散模拟方法的构建、算法设计和软件研发等。发表论文90余篇，合作撰写多尺度模拟专著2本，软件著作权14项，申请发明专利15项。2019年入选中科院青促会，2020年获“过程优青”称号。主持和参加国家自然科学基金、国家重点研发计划子课题、中国科学院和企业项目等十余项。曾获2013年首届中国科学院超级计算最佳应用奖（排名2），2020年颗粒协会自然科学一等奖（排名6）。

熊勤钢，华南理工大学教授，博导，主要从事多相流与流态化、颗粒热化学转化、多孔介质流动传热、热能利用与传热强化的模拟及实验研究。迄今为止以第一/通讯作者发表论文60余篇，SCI他引3000余次。在国际/国内会议上作主旨/邀请报告10余次；在ACS Sustainable Chemistry & Engineering、Renewable Energy、Industrial & Engineering Chemistry Research、Physics of Fluids、Journal of Analytical and Applied Pyrolysis、Applied Thermal Engineering等期刊上组织特刊10余次。

供稿：原文作者

排版：《颗粒学报》编辑部

文章信息

Ren, G., Xu, J., Xu, J., Ouyang, Y., Ström, H., Ge, W., . . . Xiong, Q. (2025). Revolution of coarse-grained CFD-DEM technology and its application in fluidized beds: A comprehensive review. Particuology, 106, 45-69. https://doi.org/10.1016/j.partic.2025.08.017

附件：