南京师范大学谢俊副教授团队研究论文:流化床中热厚颗粒传热特性的数值分析
01 【研究背景】
实现“双碳”目标，能源系统的低碳转型至关重要。流化床反应器凭借高效传热传质的优势，已广泛应用于煤清洁燃烧、生物质热化学转化、钙基太阳能热化学储能等碳减排关键技术领域。然而，反应器内部温度高、颗粒碰撞剧烈，使得实验手段难以精准获取颗粒尺度的关键信息（如温度分布、磨损与破碎情况），实现“双碳”目标，能源系统低碳转型至关重要。流化床反应器因传热传质效率高，已广泛应用于煤清洁燃烧、生物质热化学转化、钙基太阳能热化学储能等碳减排技术领域。然而，反应器内部高温、颗粒碰撞剧烈，实验手段难以准确获取颗粒尺度信息，如温度分布、磨损和破碎行为等，因此数值模拟成为流化床过程研究与优化设计的重要方法。其中，计算流体力学–离散元法（CFD-DEM）能够追踪单颗粒运动与碰撞，是实验室尺度流化床模拟的重要手段。但现有研究多将颗粒视为等温体，忽略了大尺寸生物质等热厚颗粒内部的温度梯度，容易高估传热速率，导致反应器热行为、颗粒热应力及产物分布预测出现偏差，限制了其在工程优化中的应用。02 【文章简介】
针对传统等温模型忽略颗粒内部温度梯度的问题，本文基于CFD‑DEM框架，构建并耦合了一维颗粒内部热传导模型，用于描述流化床内热厚颗粒的传热过程。通过单颗粒加热算例和流化床热玻璃珠冷却实验验证，证明了模型的准确性和复杂气固流动条件下传热预测的可靠性。结果表明，忽略内部热阻的零维等温模型会高估传热速率，其预测温度与一维模型表面温度和中心温度的最大偏差分别为 73.73 K 和 128.95 K。提高颗粒热导率或减小粒径均可降低颗粒内外温差并缩短加热时间：热导率由 0.1 W/(m·K) 提高至 1.0 W/(m·K) 时，最大内外温差由 300.99 K 降至 64.67 K，加热时间由 11.19 s 缩短至 7.13 s；粒径由 4 mm 减小至 2 mm 时，最大内外温差由 223.7 K 降至 94.18 K，加热时间由 11.25 s 缩短至 5.76 s。但在加热初期，提高热导率或减小粒径可能加剧颗粒群温度分布不均。图1.(a)单颗粒传热示意图；(b)颗粒内外温度的变化；(c)颗粒内部温度分布的三维曲面图；(d)流化床中的基本流动模式；(e)颗粒物内部温差变化 本文建立的CFD‑DEM耦合内部热传导模型，有效弥补了传统方法的不足，为流化床高精度热模拟提供了可靠工具，并深化了气固多相流传热机理的认识。该框架具有良好的扩展性，可直接应用于生物质热解等包含复杂物理化学变化的反应系统，为实验室基础研究向工业规模热化学转化应用的优化与升级提供了重要支撑。本研究工作得到国家自然科学基金（项目号：52576164、52276120）资助。03 【通讯作者简介】
谢俊，南京师范大学能源与机械工程学院副教授、硕士生导师。2007年获东南大学热能与动力工程学士学位，2015年获东南大学动力工程及工程热物理博士学位。研究方向聚焦于气固反应体系数值模拟、热化学储能及工业过程智能化，长期致力于高精度数值模拟方法与能源清洁利用技术的融合研究，在气固两相反应流基础理论与数值建模领域积累了丰富经验，取得系列研究成果。主持国家自然科学基金面上项目、青年科学基金项目及江苏省基础研究计划青年基金项目等多项课题，以第一作者/通讯作者在《Powder Technology》、《Advanced Powder Technology》、《Bioresource Technology》、《Energy& Fuels》等国际权威期刊发表SCI论文20余篇。
