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本文提出一种新型带内部组件的液固循环流化床（LSCFD），通过数值模拟与实验验证，系统研究不同组件排列、液速、颗粒密度及尺寸对流动特性的影响。结果表明：2个螺旋 turns配置最优，高液速下结构差异显著，内部组件有效提升流动均匀性及反应效率，为复杂多相流化床反应器优化提供理论支撑。
陈宏伟|何柳萍|宋扬帆|侯华荣|李云义|李文清|吴倩云|刘志坚|闫金
华北电力大学储能技术与综合能源利用河北省重点实验室，中国河北省保定市071003
摘要
本文首次提出了一种带有内部组件的液固循环流化床（LSCFD），以满足电极添加和换热管集成等设计要求。通过数值模拟和实验研究，探讨了不同内部组件布置（关键参数：单位轴向高度的螺旋圈数）、液体速度、颗粒密度和颗粒大小对流动行为的影响。结果表明，内部组件的布置显著影响了流动特性。径向固体持留量和相对速度最初随螺旋圈数的增加而增加，随后又逐渐减小。当螺旋圈数为2时，流动最为均匀。过大的螺旋圈数会加剧轴向/径向流动的不均匀性，并影响系统的稳定性。在高液体速度下，不同结构反应器之间的性能差异更加明显。内部组件的引入在满足实际需求的同时提高了流动均匀性，为优化复杂的多相流化床反应器（FBR）提供了重要依据。
引言
液固循环流化床（LSCFB）技术以其显著的液固速度差和高效的混合性能而广泛应用于废物处理、资源回收、化学工程和生物质能源等领域[1]、[2]、[3]、[4]。随着对环境保护需求的增加，这项技术有望成为能源回收的关键方法，具有广泛的应用前景。在液固系统中，随着液相速度的提高，系统会依次经历四个典型的流化阶段：固定床、常规流化、循环流化和液相传输[5]。与气固系统相比，液固系统的显著特点是液相和固相之间的密度差异较小，从而实现了更理想的流化行为[6]。
根据流体类型的不同，流化可以分为三种类型：气固流化、液固流化以及气液固流化[7]。与气固流化床（GSCFB）相比，LSCFB表现出更理想的流化特性[8]，主要体现在床层膨胀更稳定、颗粒分布更均匀以及相间接触效率更高等方面[9]。1954年，Richardson和Zaki等人[10]研究了传统LSCFB中表面液体速度与床层空隙率之间的关联，并提出了一个数学表达式，即R-Z方程，这一成果具有开创性。随后，关于常规LSCFB的研究进入高峰期。20世纪80年代，范良石等人[11]首次对逆流操作的常规LSCFB的床层膨胀动力学进行了实验研究，揭示了颗粒特性和操作参数如何影响流动行为。Puhan等人[12]结合颗粒动力学理论和欧拉方法，研究了颗粒密度和流化床几何形状对倾斜LSCFB流动行为的影响。Wang等人[5]利用两相流模拟分析了逆流常规LSCFB中的颗粒动力学，发现颗粒轴向速度和床层膨胀高度与液体速度呈正相关。此外，颗粒温度随固体体积分数的增加而升高，达到峰值后逐渐下降。
LSCFB在液相速度超过颗粒沉降速度（Ut）的条件下运行[13]，具有质量传递效率高、体积紧凑、运行连续以及能够实现双重反应等优点。Roy和Dudukovic[14]使用欧拉-拉格朗日模型模拟分析了液体和固体颗粒在系统中的停留时间、颗粒速度分布以及上升管内的固体持留量分布。Zheng等人[15]使用塑料、玻璃和高密度钢珠进行了实验，将上升管划分为初始区和完全发展的循环流化区，研究了各自的独特流体力学特性。研究结果表明，降低表面液体速度会导致固体持留量分布的径向不均匀性显著增加。Sang等人[16]通过分析多种指标，研究了颗粒尺寸和紧凑性对LSCFB上升管内固体持留量的影响，发现表面液体速度是衡量颗粒特性对固体含量持留量影响的最关键因素。Cheng和Zhu[17]采用双欧拉模型模拟了前向循环流化床的流体动力学，考虑了操作参数、颗粒特性和上升管配置等多种因素，并利用计算流体动力学研究了这些床层的放大过程，将其结果与相似性原理的预测结果进行了比较。Dadashi等人[18]采用欧拉-欧拉多相方法结合颗粒动力学理论研究了前向流动LSCFB的流体力学行为，将各种k-ε湍流模型与实验测量结果进行了对比，发现分散型k-ε多相湍流模型的预测性能优于其他模型。Gnanasundaram等人[19]研究了LSCFB上升管内固体持留量的分布情况，实验结果表明上升管内的固体持留量沿轴向均匀分布。
在LSCFB系统的设计和改进过程中，为了满足特定工艺要求或实现特定反应目标，通常需要引入功能性内部组件，如换热管束、多级导流装置、特殊分布器和电极。以我们研究小组之前的工作[20]为例，创新开发了一种流化床微生物燃料电池（MFC）堆栈系统，通过电极组件的集成实现了反应器内的同时流化和生物电化学转化。Gao等人[21]通过CFD模拟和PIV实验研究了F型管和U型管对FBR流体力学行为的影响，结果表明F型管使床层空隙率增加了3.2%，压降降低了13.0%，而U型管使空隙率增加了2.1%，压降降低了11.2%。与没有内部组件的系统相比，这两种组件通过提高颗粒均匀性和增强颗粒循环显著改善了流化质量。Ali-Akbar Sarbanha等人[22]通过改进床内内部组件的设计提高了抗扰动性能，结合数字图像处理和颗粒图像测速技术，系统评估了不同内部组件（菱形、人字形和垂直挡板）在垂直、倾斜和滚动条件下的流体力学稳定性，发现菱形内部组件的稳定性最佳，达到无内部组件的陆地垂直系统的93%；人字形和垂直挡板设计的稳定性分别为60%和55%。这些创新设计有效解决了气体分布不均匀的问题，使流化床在复杂海洋条件下仍能保持稳定运行，为船舶尾气排放减排提供了可靠解决方案。Kasama Sirisomboon等人[23]采用集总系统分析法研究了过量空气和能量分布对双旋流化床燃烧器中传热系数的影响，发现产生涡流的内部组件促进了燃料-空气混合，减少了停滞区域，这对优化流化床系统的燃烧效率至关重要。Liu等人[24]利用CFD模拟研究了挡板配置对工业流化床内流动动力学的影响，结果表明与通道挡板相比，装有百叶窗挡板的流化床具有更均匀的气体速度分布和颗粒分布，显著抑制了气体返混，表明百叶窗挡板显著提高了流化床效率，并为工业FBR的结构设计提供了重要理论支持。
以往的研究大多采用脉动流来提高常规FBR的流化质量及传热和传质效率，但在连续运行方面并无优势[25]、[26]。然而，常规液固FBR的内部结构相对简单，难以满足现代工业日益复杂的工艺需求，例如难以实现多物理场（如电-热-流场）的协同耦合、精确调节关键工艺参数（温度、浓度、pH值等）以及选择性增强复杂反应系统。目前，关于内部组件对LSCFD流体力学性质影响的研究较少。本研究基于传统CFD系统，旨在填补这一空白。本文引入了类似电极形状的圆柱形内部组件，以满足特定工业需求，实现电化学反应和流化过程的协同增强，同时抑制流化床内液体和固体颗粒的返混，优化流场分布并提高液固接触效率。研究采用数值模拟和实验验证相结合的方法，深入分析了不同内部组件布置、液体流速、颗粒密度和颗粒大小对反应器流动动力学的影响，发现引入内部组件可以在特定工艺条件下满足工程要求，同时有效改善流场并提升反应器性能。
实验系统
图1展示了装有内部结构阵列的LSCFD实验装置示意图。FBR由几个关键部件组成：垂直上升管、液固相分离器、下降管、连接导管和底部液体储罐。上升管高2米，内径为0.1米；下降管高度为1.5米，内宽为0.3米。FBR的主要结构由厚度为0.01米的...
建立数学模型
采用欧拉-欧拉多相流模型对带有内部结构阵列的LSCFD进行数值模拟。在计算模型中，固体颗粒被视为具有流体特性的伪流体，这意味着液相和固相可以被视为独立的连续相。这种建模方法能够更清晰地描述包含内部结构阵列条件下的多相流动相互作用和动力学行为
颗粒尺寸对不同FBR配置下流动动力学的影响
图5显示了颗粒尺寸对FBR不同结构中轴向固体持留量的影响。通过对比实验数据和模拟数据，发现差异在±15%以内，验证了CFD模型的准确性。这与我们小组之前的研究结果一致[32]。由于同等密度下颗粒尺寸较大，其质量也较大，因此终端沉降速度随颗粒尺寸的增加而增加，这种双重效应...
结论
本文首次提出了一种带有内部组件的LSCFD，以满足特定工业需求。通过结合数值模拟和实验验证，详细研究了不同内部组件布置、液体流速变化、颗粒密度和颗粒大小对反应器流体力学特性的影响。引入内部组件可以满足特定工艺条件的工程要求
作者贡献声明
陈宏伟：监督、方法论设计。何柳萍：撰写——初稿、实验研究。宋扬帆：撰写——审稿与编辑、资金争取。侯华荣：软件开发。李云义：数据整理。李文清：结果验证。吴倩云：数据可视化。刘志坚：监督。闫金：资源协调。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（52476152）、河北省自然科学基金（E2023502067）、河北省教育厅科研项目（BJK2024065）以及中央高校基本科研业务费（2025MS119）的支持。
