《Chemical Engineering Journal》：An advanced CFD model with porous based immersed boundary method for adsorption kinematics at a particle’s scale
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研究人员开发并验证了一种新型计算流体动力学(CFD)模型，用于模拟直径不小于1?μm的吸附颗粒周围的多组分流体流动。该模型首次能够在颗粒尺度预测局部吸附动力学，这得益于在开源CFD平台OpenFOAM中开发的新型直接力多孔介质浸没边界法(PB?IBM)。PB?
研究人员开发并验证了一种新型计算流体动力学(CFD)模型，用于模拟直径不小于1?μm的吸附颗粒周围的多组分流体流动。该模型首次能够在颗粒尺度预测局部吸附动力学，这得益于在开源CFD平台OpenFOAM中开发的新型直接力多孔介质浸没边界法(PB?IBM)。PB?IBM在不同雷诺数条件下针对多孔球体的三维流动进行了验证，并与文献中的粒子图像测速(PIV)和格子玻尔兹曼方法(LBM)数据进行了比较。该模型还在一个包含约5000颗13X型沸石吸附珠的圆柱形固定床内进行了验证，用于从常压下的50%?CO2/50%?He混合气中捕集CO2，同时耦合了流动、吸附动力学和热传递前沿演化。最后，为展示该模型在颗粒尺度的先进能力，研究人员研究了不规则形状吸附颗粒，并与规则球形颗粒在常压、温度22?℃、雷诺数Rep≈1.75条件下的CO2吸附性能进行了比较。模型能够捕捉颗粒内部局部压力、温度和吸附量的瞬态行为。结果显示，不规则颗粒的吸附容量在所有时间步均高于球形颗粒，最大增幅约为34%。该模型在优化和设计未来吸附材料颗粒矩阵方面具有重要潜力，可用于多种吸附/脱附应用。
该研究发表于《Chemical Engineering Journal》，聚焦于气体?固体吸附过程中的多物理场耦合问题。传统CFD模型多局限于二维或三维连续介质尺度，难以在颗粒尺度精确解析局部流场、温度场及吸附动力学，尤其在处理复杂形状的吸附颗粒时缺乏有效手段。现有颗粒解析方法多采用离散元法(DEM)与CFD耦合，计算成本高且难以高效处理多孔颗粒内部的流动与传质。因此，研究人员旨在开发一种基于欧拉?欧拉框架的多孔介质浸没边界法(PB?IBM)，以实现对吸附颗粒内部与外部流场、热场及质量传递的统一高效模拟，从而为固定床吸附器的优化设计提供理论支撑。
关键技术方法方面，研究人员在OpenFOAM平台上构建了PB?IBM求解器，采用有限体积法(FVM)离散控制方程，并在动量方程中引入Darcy?Forchheimer阻力源项以表征多孔介质的流动阻力。质量守恒方程耦合了线性驱动力模型(LDF)以描述吸附速率，能量守恒方程考虑了吸附热释放对温度场的影响。压力?速度耦合通过改进的PISO算法实现，确保颗粒内部压力场的数值稳定性。模型验证采用了文献中的PIV实验数据与LBM数值结果，并在固定床实验中与实验测量值进行对比。
研究结果部分，首先在多孔球体验证中，PB?IBM预测的尾迹速度与压力分布与PIV及LBM数据高度一致，验证了模型在捕捉多孔介质流动特性方面的准确性。其次，在规则颗粒吸附动力学研究中，模型揭示了吸附初期颗粒内部压力波动、吸附前沿推进及温度升高的时空演化规律，表明低雷诺数条件下吸附过程由对流增强向扩散主导转变。第三，不规则颗粒吸附动力学结果显示，不规则形状导致表面曲率变化，形成非对称压力场与吸附热点，增强了局部传质与冷却效果，从而在全时间步内保持更高的吸附容量。第四，颗粒形状影响分析表明，不规则颗粒的内部流线更复杂，延长了气体停留时间，促进了吸附前沿的均匀推进。第五，固定床基准测试中，模型成功再现了约5000颗沸石珠填充床内的温度前沿与突破曲线，且与实验结果吻合良好，证明了其在工业规模吸附器模拟中的适用性。
在讨论与结论部分，研究人员指出，PB?IBM通过统一处理颗粒内外流场与传质过程，克服了传统方法在多尺度耦合上的局限。不规则颗粒因其更大的比表面积与复杂的流动路径，在相同质量与体积下表现出更高的瞬时与整体吸附效率，这对碳捕集与气体分离技术的材料设计具有重要意义。该模型为未来吸附剂颗粒的形状优化（如三叶形、金字塔形、空心柱形等）提供了可靠的计算工具，并可扩展至多组分吸附与脱附过程的动态模拟。
