Pathway analogy for computational fluid dynamics simulations of fluid flow through structured packed beds (Open Access)
Maxim Nikitin, Dmitry Pashchenko*
Keywords: Packed beds; Computational fluid dynamics; Pressure drop; Structured packings; Pathway analogy
DOI: 10.1016/j.partic.2026.04.012
结构化填充床压降的精准预测，是工业反应器、热交换器等关键化工设备设计与性能优化的核心基础。颗粒解析计算流体力学（PRCFD）可实现填充床流体流动的高精度模拟，但针对大规模工业体系开展模拟时存在计算成本高、运算效率低下的问题；同时，Ergun 等多孔介质模型又难以捕捉壁面效应与流场非均匀性，工程应用存在明显局限，亟需开发高效、可靠的新型建模策略。
本研究提出一种适用于结构化填充床中流体模拟的新型“通路类比”法。该方法摒弃了传统整体仿真思路，将填料床内简单立方排布球体间复杂的孔隙结构拆解为若干个离散且水力特性相互独立的流动通道，根据其与器壁的距离，将其化分为全通路、半通路或四分之一通路的单元。高精度CFD模拟结果证实，在层流和湍流两种工况条件下，这些通道间的横向流动可忽略不计（<1%），各通道可作为独立的流动单元。
研究针对三类通路，推导了以雷诺数为核心变量的摩擦系数与无量纲压降的通用关联式，验证了该关联关系对填料颗粒直径的依赖性极小，具备良好的通用性。基于上述基础关联模型，通过加权叠加所有独立通路的流动阻力贡献，构建出机理型工程计算模型，可精准重构任意几何尺寸填充床的总压降。模型验证结果表明，模拟计算结果与文献中实验数据高度吻合，且在宽雷诺数区间、多种填料结构配置条件下均表现出优异的稳定性与一致性。
本文提出的“通路类比”法可大幅缩减CFD模拟的计算域范围，有效解决了高精度仿真与大规模系统高计算成本之间的矛盾，为结构化填充床流体仿真提供了兼顾精度与效率的物理机理建模方案，可为工业反应器、热交换器的高效设计、大型化规模拓展提供可靠的技术支撑。
相关研究成果发表于PARTICUOLOGY（Volume 114），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！
编辑、排版：《颗粒学报》编辑部
文章信息
Nikitin, M., & Pashchenko, D. (2026). Pathway analogy for computational fluid dynamics simulations of fluid flow through structured packed beds. Particuology, 114, 384-393. https://doi.org/10.1016/j.partic.2026.04.012