液固流化技術(shù)通過流體介導的固體顆粒傳輸實現(xiàn)懸浮狀態(tài)，從而提供了傳統(tǒng)固定床反應器無法達到的優(yōu)異熱量和質(zhì)量傳遞性能。隨著能源轉(zhuǎn)型和綠色化學工程的進步，這項技術(shù)已在包括生物質(zhì)轉(zhuǎn)化[1]、[2]和廢水處理[3]、[4]在內(nèi)的新興領域得到廣泛應用，這得益于其卓越的熱性能和操作靈活性。液固流化系統(tǒng)涉及多種物理過程的耦合，包括顆粒-流體相互作用、顆粒-顆粒碰撞以及顆粒-壁面碰撞。這些相互作用在不同時空尺度上表現(xiàn)出顯著差異，從而給設計優(yōu)化和工業(yè)放大帶來了挑戰(zhàn)[5]。在微觀尺度上，顆粒表面邊界層內(nèi)的流動決定了碰撞恢復系數(shù)的動態(tài)演變[6]、[7]、[8]。在中觀尺度上，集體顆粒運動與湍流渦旋相互作用，形成團聚體和渦流等流動結(jié)構(gòu)。在宏觀尺度上，整體床層流動特性由微觀和中觀尺度機制的統(tǒng)計平均決定，表現(xiàn)為均勻流化、湍流流化或循環(huán)流化等不同流動狀態(tài)，每種狀態(tài)都具有獨特的壓降特性、固體持留分布和傳熱系數(shù)。這種多尺度特性使得液固流化的理論分析和定量描述變得非常困難。

在液固流化流動特性領域，早期的研究主要采用實驗方法來測量宏觀流化特性，包括最小流化速度[9]、[10]、終端速度和阻力系數(shù)[11]、[12]以及床層膨脹特性[13]。隨著先進測量技術(shù)的發(fā)展，研究重點逐漸轉(zhuǎn)向局部流動結(jié)構(gòu)的詳細表征。An等人[14]利用CCD成像技術(shù)發(fā)現(xiàn)，二維液固流化床中的顆粒以水平帶狀簇或團聚體的形式上升，為其中觀尺度流動結(jié)構(gòu)分析奠定了基礎。Reddy等人[15]采用顆粒圖像測速技術(shù)證明了顆粒波動速度在軸向和徑向上的均勻分布，以及整個床層內(nèi)相對穩(wěn)定的湍流動能耗散率，表明系統(tǒng)內(nèi)的湍流分布是均勻的。Nassima等人[16]通過激光測速測量發(fā)現(xiàn)，在高頻速度序列下存在隨機特性，這與小尺度顆粒運動相關。Maedeh等人[17]應用電阻層析成像技術(shù)測量了流化床中不同固體顆粒的體積分數(shù)波動，發(fā)現(xiàn)最大波動始終發(fā)生在狹窄的壁面區(qū)域，其幅度從近壁區(qū)域向床層中心逐漸減小——這一現(xiàn)象闡明了壁面效應對局部流動不均勻性的關鍵影響�；�于這一對流動動力學的理解，研究人員隨后探索了越來越復雜的系統(tǒng)，包括二元顆粒[18]、[19]、非牛頓流體[20]、[21]、特殊流化床配置[22]、[23]、組件設計優(yōu)化[24]、[25]以及傳熱和傳質(zhì)現(xiàn)象[26]、[27]、[28]。這些研究共同推進了對液固流化多尺度機制的全面理解。

在理論建模方面，基于連續(xù)介質(zhì)假設的雙流體模型和基于離散顆粒跟蹤的歐拉-拉格朗日模型，結(jié)合計算流體動力學方法，已成為研究液固流化流動特性的主要數(shù)值工具。Luo等人[29]通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)了流動結(jié)構(gòu)的徑向不均勻性和軸向均勻性，表明通過增加表面液體速度可以緩解前者。Wang等人[30]的二維模擬顯示，隨著液體速度的增加和顆粒尺寸的減小，床層內(nèi)固體濃度分布的均勻性顯著提高，為通過參數(shù)調(diào)節(jié)提高床層均勻性提供了可行的途徑。Khan等人[18]研究了不同質(zhì)量比的顆粒組合對二元液固流化床膨脹行為的影響，發(fā)現(xiàn)床層膨脹比隨固體質(zhì)量比的增加而減小，而隨流化速度比的增加而增大，遵循冪律關系。Puhan等人[31]同樣觀察到，增加表面液體速度可以增強床層膨脹，而固體顆粒分離現(xiàn)象可以忽略不計——這一發(fā)現(xiàn)有助于在特定操作條件下簡化模型假設。Victor等人[32]基于床層力平衡分析和阻力相關性估計了床層空隙率，其預測精度顯著優(yōu)于Richardson-Zaki方程，從而為流化床中的精確空隙率預測提供了一種創(chuàng)新方法。Liu等人[33]采用多相顆粒-單元方法研究了液固流化床中的固體分離過程，發(fā)現(xiàn)修改固體直徑比可以有效增強固體分離，為特定過程中的顆粒分離提供了實用的操作策略。

盡管經(jīng)典流化理論為床層膨脹和顆粒分布模式提供了基本見解，但它主要基于寬床的理想化假設或忽略了邊界效應，因此無法準確描述高顆粒尺寸與床層直徑比下的細長管狀結(jié)構(gòu)內(nèi)的液固兩相流動。實際上，這種特殊幾何形狀在工業(yè)應用中具有不可替代的地位，被廣泛應用于增強殼管式換熱器[34]、冰漿制備[35]、緊湊型生物反應器和廢水處理[36]、[37]等關鍵領域。然而，當前的學術(shù)研究主要集中在特定過程場景下提高宏觀性能指標，例如改進傳熱系數(shù)[38]或分析結(jié)晶回收率[39]，而對強壁約束下液固兩相流動機制的基礎研究仍然相對不足。特別是，現(xiàn)有文獻未能充分闡明封閉空間內(nèi)的中觀流動結(jié)構(gòu)和顆粒-壁面碰撞動力學耦合機制。特別是缺乏對顆粒運動模式的動態(tài)演變及其時頻特性的系統(tǒng)探索，這使得流動場結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)演變和系統(tǒng)動態(tài)響應難以準確預測。更嚴重的是，大多數(shù)研究僅限于觀察單一物理量，缺乏包含顆粒速度場、流體速度場和壓力場的綜合多物理場耦合分析。因此，封閉空間內(nèi)液固兩相流動的基本異步響應特性和復雜的空間分布模式仍未得到充分闡明。

為了解決這些科學問題并推進當前的理解，本研究采用歐拉-拉格朗日數(shù)值模擬方法，結(jié)合統(tǒng)計分析和信號處理技術(shù)，系統(tǒng)地研究了細長管狀液固流化換熱器中的流動特性。通過建立考慮強壁約束和三維流動特征的細長管內(nèi)液固流化的理論模型，闡明了封閉空間內(nèi)的流動機制。隨后，提出了一種基于軸向區(qū)域演變和三維瞬態(tài)流動的時空相關分析技術(shù)的流動結(jié)構(gòu)識別方法，定量表征了顆粒運動-流動場-壓力場關系的協(xié)同演變。同時，全面探討了包括表面液體速度和特征溫度在內(nèi)的參數(shù)對流動行為的影響機制，徹底闡明了系統(tǒng)的時平均和瞬時流動特性，從而為液固流化換熱器的設計優(yōu)化和工程應用提供了理論基礎。

研究液固流化床的時平均流動特性是闡明多相流系統(tǒng)內(nèi)部相互作用機制的基本方法。本節(jié)旨在分析流體特性溫度和表面液體速度對液固兩相系統(tǒng)準穩(wěn)態(tài)流動行為的影響。使用宏觀參數(shù)，包括空隙率、床層壓降和顆粒速度等

本研究采用耦合的CFD-DEM方法系統(tǒng)研究了細長直管內(nèi)液固流化系統(tǒng)的流動特性。通過統(tǒng)計方法和信號處理技術(shù)，全面探討了操作參數(shù)和顆粒特性對流動行為的影響機制。主要結(jié)論如下：

(1) 表面液體速度對時平均床層流動特性的調(diào)節(jié)作用

Jiuxuan Xiang：撰寫——原始草案、研究、數(shù)據(jù)管理、概念化。Hongliang Ding：撰寫——原始草案、驗證、方法論、數(shù)據(jù)管理。Ke Chen：撰寫——審稿與編輯、方法論、數(shù)據(jù)管理、概念化。Aikun Tang：撰寫——審稿與編輯、監(jiān)督、研究、概念化。Yi Jin：驗證、資金獲取、正式分析。Kehao Li：研究、正式分析。Yanlong Guo：驗證、方法論。Tao Cai：軟件

作者聲明他們沒有已知的競爭財務利益或個人關系可能影響本文所述的工作。

本工作得到了江蘇省前沿引領技術(shù)基礎研究計劃（編號：BK20232022）的支持。