循环流化床（Circulating Fluidized Bed, CFB）是一种高效的气固两相流反应装置，凭借其卓越的混合效率、反应性能及连续操作特性，可应用于石油化工、冶金、能源等多个行业，在流化催化裂化（FCC）、费托合成（FT）、煤燃烧、氢氧化铝煅烧、生物质气化和干燥等多个关键领域取得了广泛应用。
全回路CFB包括提升管、分离器、返料器、布风系统。气固两相在主反应区（提升管）、分离区（旋风分离器）、返料区和风帽区域间形成复杂的非稳态循环过程。颗粒经历稀相—密相—气固分离—返回等多个阶段，表现出强烈的非均匀性和多尺度耦合特征，导致全回路CFB系统内复杂的流动模式，包括颗粒聚团的形成和气泡的动态演化，不仅影响了全回路CFB系统内“流动-传递-反应”耦合特性，也影响了设备连续操作能力、运行效率及产品质量，增加了设备维护的难度和成本。
目前很难通过实验过程详细测量CFB系统流场中气固复杂作用特性，数值模拟特别是CFD-DEM（Computational Fluid Dynamics–Discrete Element Method）作为一种细观多相流模拟工具，逐渐成为揭示CFB复杂传递行为的有力手段。
往期文章详细介绍了为什么需要进行CFD-DEM耦合模拟，以及大规模高性能颗粒模拟软件DEMMS已开发CFD-DEM双向耦合功能，已实现商用CFD求解器与DEM求解器的灵活通信及数据交换，使气固两相系统的预测更加精准高效。
往期推荐
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求解设置与模拟策略
算例合作单位：中国科学院过程工程研究所
基于大规模高性能颗粒模拟软件DEMMS，与Fluent进行双向耦合，构建完整的CFB全回路，包括提升管、旋风分离器、下降管和返料机构。其中：
提升管是主要的反应部件，颗粒在提升管中的浓度分布、停留时间分布等对反应器有重要的意义；
旋风分离器的主要作用是将气固两相分离，使得气体从顶部出口流出，颗粒进入下降管并通过返料机构重新进入提升管；
提升管高16m，直径0.25 m，入口风速2.5 m/s；
网格为三维非结构网格，尺寸约为颗粒粒径的4倍；
颗粒相的求解采用粗粒化离散模型EMMS-DPM，与传统粗粒化方法相比，EMMS-DPM 方法计算精度更高、计算量减少，提高了计算效率；
考虑到回路中的颗粒数量巨大，选择了10倍的粗粒化率，共计89万粗颗粒来替代回路中的约8.9亿真实颗粒。
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Parameter |
Circulating fluidized bed |
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Real particle diameter, dp (m) |
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Coarse-graining ratio |
10 |
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Particle density, ρp (kg/m3) |
863 |
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Coarse-grained particle number (-) |
891,354 |
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Coarse-grained particle diameter (m) |
4x10-3 |
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Inlet gas velocity, ug (m/s) |
5.14 |
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Cell number (-) |
21,090 |
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Time step for CFD, dtCFD (s) |
1x10-3 |
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Time step for DEM, dtDEM (s) |
1x10-5 |
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Simulation time (s) |
10 |
模拟结果与流场结构分析
CFB全回路模拟结果可以看到，CFD-DEM双向耦合成功捕捉到提升管内典型的“密相底部—稀相顶部”结构。固相体积分数随高度显著下降，符合实验观测。返料段中颗粒浓度快速上升，形成密实返料流。
在提升管壁面附近形成下沉颗粒回流，表现出环状流结构。局部颗粒团聚导致湍动强度变化，对流场分布产生反馈作用。
结果可输出为ParaView动画，直观展示颗粒循环、团聚、稀密相转变过程。
CFD-DEM在CFB领域的应用前景
CFD-DEM模拟为探索循环流化床中的局部流动、团聚行为、反应效率等提供了前所未有的细观视角，可广泛应用于：
燃煤/生物质燃烧：预测床层温度分布、燃尽率；
气化与热解过程：捕捉颗粒反应界面变化；
FCC催化裂化：研究催化剂迁移与反应器布置；
加氢装置与造粒干燥：优化颗粒输运与分布；
碳捕集与储存（CCUS）：探索循环吸附剂的流动行为。
随着多尺度模拟方法的发展与计算资源的提升，CFD-DEM已成为理解复杂气固流动不可或缺的工具。全回路CFB的模拟不仅验证了耦合策略的有效性，更为工业优化和基础研究提供了重要参考。欢迎关注后续我们在反应、传热和多物理场耦合方向的拓展研究。
