Advanced heat flux modeling in coarse-grained CFD-DEM simulations
Michael Mitterlindner, Martin Niemann, Daniel Louw, Paul Kieckhefen, Christoph Goniva, Mohammadsadegh Salehi, Stefan Radl*
Keywords: CFD-DEM simulation; Coarse-graining; Heat exchange; Heat conduction; Radiation
DOI: 10.1016/j.partic.2025.07.003
在粗粒化CFD-DEM模拟中，精确预测热通量存在显著挑战，尤其在流体-颗粒热交换速率、颗粒床有效导热系数及辐射传热速率等方面预测困难。针对此问题，奥地利格拉茨技术大学研究团队提出创新解决方案，为工业级高温颗粒-流体系统模拟提供新策略。
核心创新如下：
1. 热交换限制器设计
针对小毕渥数（Biot数）系统中颗粒与流体（尤其气体介质）的快速热交换特性，开发了新型热交换限制器。该算法通过限制单时间步长内的最大热交换量，成功解决了显式耦合中的数值振荡与失稳问题。结果表明，即使在时间步长比流体热弛豫时间大三个数量级的情况下，仍可保持合理、稳定预测，突破了传统算法的时间步长限制瓶颈。
2. 辐射修正模型构建
建立了基于视角因子的辐射热交换粗粒化修正模型。当温度超过400 K时，热辐射成为不可忽略因素。该修正模型通过精确校准parcels间辐射传热速率，在粗粒比为10时可将床层有效导热率误差控制在3%以内，实现了与原始非粗粒化系统的高度一致性。
3. P1辐射模型适用性探究
在使用P1模型进行CFD-DEM耦合模拟时，须在由小颗粒形成的高吸收率区域保持足够精细的CFD网格。虽然粗粒化处理通常不会影响P1模型的精度，但网格细化不足会导致辐射动力学计算误差。为提升parcels在CFD框架中的表征精度，建议实施颗粒平滑处理。同时，使用P1模型时，建议遵循欧拉网格分辨率准则 lm/△z < 5 以确保结果准确。
本文所提出的方法显著提高了粗粒化CFD-DEM在高温过程模拟中的稳定性、精度和计算效率，使其适用于更广泛的工业应用场景，如高温过程，或涉及微细粉末的热交换过程等，为燃烧反应器、催化裂化等高温设备的虚拟设计与优化提供了可靠工具。
相关研究成果发表于PARTICUOLOGY（Volume 104），欢迎感兴趣的读者扫描下方二维码或者点击文末“阅读原文”进入ScienceDirect官网阅读、下载！
编辑、排版：《颗粒学报》编辑部
文章信息
Mitterlindner, M., Niemann, M., Louw, D., Kieckhefen, P., Goniva, C., Salehi, M., & Radl, S. (2025). Advanced heat flux modeling in coarse-grained CFD-DEM simulations. Particuology,104, 245-260. https://doi.org/10.1016/j.partic.2025.07.003.