该研究发表于期刊 Solar Energy 第249卷（2023年），由 Kaijun Jiang, Ziqian Tian, Sheng Chen, Chao Xu, Xiaoze Du* 等人合作完成。作者单位包括华北电力大学电站能量传递转化与系统教育部重点实验室、北京怀柔实验室、华中科技大学煤燃烧国家重点实验室以及兰州理工大学能源与动力工程学院。

本研究的学术背景聚焦于下一代聚光太阳能发电技术领域。在全球关注可再生能源发展、特别是聚光太阳能发电因可集成储热系统而被视为解决太阳能间歇性问题重要途径的背景下，使用固体颗粒作为传热流体和储热材料成为第三代CSP技术的热点。固体颗粒工作温度高（>700°C）、成本低，有望进一步降低平准化能源成本。然而，作为CSP电站中的关键能量转换装置，现有的各类颗粒太阳能接收器（PSR）均存在不同短板：例如直接加热式的自由落体接收器虽运行稳定但颗粒停留时间短、温升有限；间接加热式的上流鼓泡流化床接收器可能存在气体聚并形成节涌、多管间流量分布不均等问题。

因此，本研究团队旨在探索一种结合上流流化床与下行床优点的高密度逆流流化床颗粒太阳能接收器。该接收器具有颗粒藏量高、操作性能稳定、颗粒停留时间长等潜力，有望为下一代CSP系统提供一种有前景的技术解决方案。然而，CCFB接收器内部的复杂气固流动特性（水动力学）难以通过实验方法深入探究。因此，本研究的主要目标是建立一个计算颗粒流体动力学模型，用以系统研究高密度CCFB颗粒太阳能接收器内部的气固流动特性，弥补实验手段的不足，并全面揭示高密度气固逆流流动机制。

详细工作流程

本研究的工作流程主要包含四个核心环节：物理与数学模型的建立、数值模型的设置与敏感性分析、模型的实验验证、以及基于已验证模型的结果分析与讨论。

第一环节是建立物理模型和CPFD数学模型。物理模型基于一个冷态高密度CCFB接收器实验装置（实物照片见图1）。该装置核心是一根内径40毫米的垂直输送管，顶部和底部分别连接颗粒储存仓和收集仓。底部设有气体分布器通入向上气流，顶部侧向设有颗粒入口，形成气固逆流。实验中采用真实密度为2630.4 kg/m³、平均粒径198.3微米的石英砂作为固体颗粒。为了最小化计算量，在数值模型中，颗粒储存仓和收集仓的尺寸略小于实验装置，但输送管等核心几何结构保持一致。数学建模方面，采用了基于欧拉-拉格朗日框架的计算颗粒流体动力学方法。气体相被视为连续相，使用体积平均的Navier-Stokes方程描述；固体颗粒相被视为离散相，采用多相颗粒胞内法理论进行模拟，将颗粒插值到计算网格中。该模型的控制方程包括气体相的连续性方程和动量方程，以及基于牛顿第二定律的颗粒运动轨迹方程。模型中引入了颗粒概率分布函数和颗粒间碰撞模型，并选用了能够兼顾稀疏相和高密度悬浮流动的Wen-Yu/Ergun组合曳力模型来描述气固相间曳力。整个数值模型利用Barracuda软件建立。

第二环节是数值模拟的设置参数敏感性分析。为了确保模拟结果的准确性并兼顾计算效率，研究团队系统分析了时间步长、网格尺寸和每个计算网格内的颗粒数量这三个关键参数的影响。首先，针对时间步长，对比了5×10⁻³ s、1×10⁻³ s和5×10⁻⁴ s三种情况。通过监测库朗数（CFL）和对比模拟与实验的颗粒质量流率偏差，发现当时间步长为1×10⁻³ s时，偏差仅为3.8%，且总模拟时间可接受，因此选定此值用于后续研究。其次，针对网格独立性，对比了网格数分别为185,350、247,888和490,277的三套网格。结果表明，当网格数达到247,888时，其对出口固体质量流率模拟精度的影响已很有限，进一步加密网格不仅大幅增加计算时间，精度也未显著提升，因此选用此网格配置。最后，分析了每个计算网格内颗粒数（Np）的影响，对比了Np为50、75和90的情况，发现当Np大于50后，其对模拟结果的影响可以忽略，最终选定Np=90。这些细致的敏感性分析为后续的模拟结果提供了可靠的基础。

第三环节是CPFD模型的实验验证。验证采用了两种方式。主要方式是利用所述冷态CCFB实验装置，测量颗粒在收集仓内的累积质量随时间的变化，并将此实验数据与数值模拟中通过监测输送管内特定截面（高度h=0.25米）的颗粒通过量所计算出的累积质量进行对比。对比结果（见图6）显示，在60秒前，数值结果与实验结果高度吻合；60秒后，由于数值模型中颗粒仓尺寸的简化，实验值略高于模拟值，但整体偏差仅为3.8%，表明模型能够准确预测系统的宏观质量流率。第二种验证方式是交叉验证：使用建立的CPFD模型去模拟另一篇文献（Nie et al., 2020a）中提出的下行移动床颗粒接收器，比较不同粒径下的颗粒质量流率。对比结果（见表3）显示，本模型的计算结果与文献数据高度一致。这两方面的验证充分证明了本研究所建立的3D CPFD模型能够准确模拟CCFB接收器内的气固流动行为。

第四环节是基于已验证模型的结果分析与讨论。在模型得到验证后，研究团队对高密度气固逆流悬浮状态下的流动特性进行了深入分析，主要包括固体藏量分布、轴向颗粒速度分布以及气泡特性三个方面。

对于固体藏量分布，模拟结果（图7, 8, 9, 10）揭示了丰富的流动细节。纵向截面显示，底部进入的气体以小气泡形式上升，逐渐聚并成大气泡并向近壁区移动。到达一定高度后，近壁区气泡尺寸趋于稳定并向上运动。横截面分析表明，在输送管下部，气体主要集中于近壁区；在中部，无明显气泡聚合，颗粒呈密相下行；在更高处，小气泡逐渐聚并为轴向气泡。研究还捕捉了系统从非稳态向拟稳态演化的过程（t=12–18 s）：初始阶段可能发生节涌，气体驱动入口附近停滞的颗粒上涌；当节涌上升到固体入口区域后会消失，系统转变为稳定的带气泡气固逆流状态，此后不再出现节涌。这证明了CCFB接收器设计具有固体质量流率自我动态调节的能力。轴向平均截面固体藏量分布呈波动形态：存在气泡的截面藏量低，无气泡的截面则接近移动床（藏量高）。随着模拟进行，波动幅度减小、频率增加，表明系统趋于稳定且湍动增强。径向分布显示，在气泡存在区域，藏量分布不对称；而在非气泡区域，藏量呈近乎对称的类移动床分布。

对于轴向颗粒速度，模拟成功获取了实验中难以测量的颗粒速度场（图11, 12, 13）。结果显示，颗粒轴向速度在0.01–0.4 m/s范围内，远低于早期分散型CCFB结构。在近壁气泡区，特别是在气泡的上表面，存在明显的颗粒返混现象，气泡上升产生的曳力将部分颗粒向上推。轴向平均截面颗粒速度也呈波动分布，且与固体藏量分布呈负相关：藏量低的区域（气泡区），颗粒间阻力小，颗粒在重力作用下加速，速度较高；藏量高的区域（非气泡区），速度较低。径向分布上，气泡区颗粒在近壁区域下落更快，分布不对称；非气泡区速度分布则相对均匀、对称。

对于气泡特性，研究量化了气泡频率和气泡时间份额（图14）。分析发现，在输送管底部（h=0.4 m），气泡主要在近壁区生成，频率高达3 Hz，时间份额也高于核心区。在管中部（h=1.0 m），气泡频率和时间份额的径向分布呈双峰形，过渡区最高，表明气泡在上升过程中有从近壁区向核心区汇聚的趋势。在管顶部固体入口附近（h=1.6 m），气泡频率降低，但近壁区气泡时间份额增加（可达~20%），高于底部（~10%），说明小气泡在上升过程中聚并成更大、更稳定的气泡，且气泡能产生径向扰动，有利于壁面向床层的传热。

主要研究结果

本研究通过上述流程，获得了以下关键结果：

1. 成功建立了能够准确模拟高密度CCFB接收器内气固流动的3D CPFD模型。模型通过了冷态实验质量流率和文献交叉验证，证实其具有良好的预测精度。该模型能够完整捕捉从气泡形成、聚并、运动到破裂的全过程，成功再现了系统从初始不稳定节涌状态向稳定带气泡逆流状态的动态转变过程。
2. 系统揭示了CCFB接收器内的固体藏量分布规律。轴向分布呈波动形态，波动幅度随系统稳定而减小，频率增加。径向分布特征取决于气泡存在与否：气泡区呈不对称分布，非气泡区呈对称的类移动床分布。模拟证实了CCFB结构可通过系统压力变化实现固体质量流率的自我动态调节，保障了运行的稳定性。
3. 首次通过数值模拟详细获取了CCFB内颗粒轴向速度场。发现颗粒速度与固体藏量负相关，揭示了阻力减小导致重力加速的机制。观测到气泡区近壁存在颗粒返混现象，这会影响颗粒的停留时间分布和热交换。径向速度分布在气泡区不对称，在非气泡区则均匀对称。
4. 量化分析了上升气泡的特性。发现气泡频率随高度增加而降低，气泡时间份额则增加，证实了小气泡聚并成大气泡的过程。气泡的径向分布沿高度变化：底部近壁区生成，中部向过渡区汇聚，顶部形成稳定的近壁大气泡。这一气泡运动路径有助于增强径向混合，对改善接收器的壁-床传热具有积极意义。

这些结果逻辑上环环相扣：首先，模型的建立与验证是获得可靠后续结果的基础；其次，对固体藏量的分析揭示了系统基本的流动结构和稳定性机制；接着，对颗粒速度的分析进一步关联了藏量与动力学行为；最后，对气泡特性的量化分析则深入阐释了影响藏量与速度分布的关键因素——气泡的行为规律。所有这些结果共同支撑了研究的最终结论。

结论与研究意义

本研究的主要结论是：所建立的CPFD模型能有效模拟高密度逆流流化床颗粒太阳能接收器的复杂气固流动，弥补了实验观测的不足。模拟结果表明，该接收器能够实现稳定的带气泡气固逆流操作，并具备自我调节能力。接收器内固体藏量和颗粒速度均呈现与气泡相关的波动和非对称分布特征，而气泡在上升过程中经历聚并并倾向于在近壁区形成稳定的大气泡。这些发现全面揭示了高密度气固逆流悬浮的流动机制。

本研究的科学价值在于，首次将CPFD数值模拟方法系统应用于高密度CCFB太阳能接收器这一特定复杂系统的水动力学研究，获得了实验难以测量的关键细节数据（如全场颗粒速度、瞬时气泡特性），深化了对该类系统内气固逆流、气泡行为与颗粒运动相互耦合作用机理的理解。其应用价值在于，研究结果为高密度CCFB颗粒太阳能接收器的优化设计提供了重要的理论依据和数据支持，例如，对气泡行为和颗粒速度场的分析有助于指导接收器结构设计以优化颗粒停留时间、混合效果和传热性能，从而推动下一代高效、低成本CSP技术的发展。

研究亮点

本研究的亮点突出体现在以下几个方面：

1. 方法创新性：研究将计算颗粒流体动力学这一先进数值模拟工具创造性地应用于太阳能热利用领域的新型颗粒接收器研究，在CFD-DEM和TFM方法之间取得了精度与效率的良好平衡，为研究此类复杂稠密气固系统提供了有效范式。
2. 研究系统性：工作流程完整，从物理建模、数学描述、参数敏感性分析、实验验证到多角度深入的结果分析，步骤严谨，逻辑清晰。特别是对时间步长、网格和颗粒数进行了细致的独立性分析，确保了模拟结果的可靠性。
3. 发现重要性：研究获得了多项重要发现，如CCFB接收器的质量流率自调节能力、固体藏量与颗粒速度的波动关联性、气泡沿高度演变的定量规律（频率降低、时间份额增加）及其径向迁移路径等。这些发现是对高密度气固逆流流动基础理论的有益补充。
4. 应用针对性：研究紧密结合下一代CSP技术的前沿需求，针对现有颗粒接收器的技术瓶颈，探索了一种有潜力的解决方案（CCFB），其研究成果直接服务于该新型接收器的性能优化与工程放大，具有明确的工程应用导向。

其他有价值内容

文献中还包含了详尽的符号说明、模型方程的完整推导、以及实验所用石英砂的详细物性参数（表1）和粒径分布（图2），为其他研究者复现或拓展本研究工作提供了充分的信息。此外，文章最后声明了无利益冲突，并致谢了国家自然科学基金的资助。这些内容都体现了学术研究的规范性和完整性。