A numerical investigation on heat transfer characteristics of a particle cluster in fluid with variable properties
李晓宇，王慧博，张博威，金辉*
Keywords: Heat transfer; Supercritical water; Particle cluster; Modeling
DOI: 10.1016/j.partic.2024.08.019
现有模型对非线性物性流体–颗粒相间传热特性的预测具有局限性。本文以超临界水作为非线性物性流体的典型例子，开展了颗粒团与变物性流体间的传热特性研究。结果表明，与线性物性流体相比，非线性物性影响下的颗粒群呈现出局部与整体的传热规律分布相似性与热能传递激增性。文中采用无量纲传热系数量化非线性物性带来的影响，并基于该系数，初步划分了以无量纲数（颗粒雷诺数与空隙率）为导向的非线性物性不同效应区。依据效应区的影响强弱，针对性的建立了颗粒团在超临界水中的传热预测模型。
上述成果发表于PARTICUOLOGY （Volume 94），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！
研究背景
流体–颗粒相间传热是化工过程的常见现象。然而，随着以超临界流体为代表的非线性物性流体的广泛应用，以往基于线性物性流体建立的相间传热理论不能被有效应用，因此，探索非线性物性流体中颗粒的传热特性具有重要的意义。超临界水流化床作为非线性物性流体应用的典型代表，探索系统中超临界水–颗粒相间传热可为非线性物性流体的应用奠定理论基础。
图1. 超临界水的非线性物性变化
要点精读
1、非线性物性影响下的规律相似性与热能传递激增性。本文研究发现，即使非线性物性影响下颗粒团周围的物性分布差异很大，颗粒团平均和局部的Nu分布变化规律却与线性物性的相似。这种相似性意味着超临界水–颗粒相间传热的模化形式与线性物性的一致。不同的是，非线性物性带来的热量传递远强于线性物性，从而使超临界水–颗粒相间热能传递激增。
图2. (a) 以密度为例的超临界水与线性物性分布对比；(b) 不同温度下颗粒团平均Nu与颗粒Re的线性关系对比；(c) 线性物性流体中颗粒图切面Nu分布云图；(d) 超临界水中的对比。
2、非线性物性的不同效应区划分。为了量化结果，本文采用无量纲传热系数N表征非线性物性带来的影响，N是非线性物性Nu与线性物性Nu的比值。研究发现，传热相对较弱的区域，N值很大；随传热过程增强，N逐渐减小，且N的峰值位置向颗粒团后移动。值得注意的是，传热强化到一定程度后，不同Re和空隙率ε之间颗粒团平均N的差异越来越小，趋近于某一固定值，该值几乎仅与温度和压力有关。基于无量纲传热系数N与Re、ε的相关关系，提出了非线性物性的稳定效应区和非稳定效应区。在稳定效应区，相间传热过程相对较强，N仅与温度和压力有关；在非稳定效应区，N与Re、ε、温度及压力都有关系。
图3. 相同颗粒温度、空隙率ε下(a) Re为25和(b) Re为200的无量纲传热系数N的对比；N与(c) Re和(d) ε的无关性；(e)以Re和ε为导向的非线性物性效应区划分。
3、颗粒团传热的模化。依据前述提出的效应区划分，稳定效应区相间传热对颗粒流整体传热过程的贡献占主导。因此，针对稳定效应区，提出了可用于描述颗粒相互作用的热量传递系数-β。由此，将超临界水–颗粒相间传热过程解耦为三部分，分别是：非线性物性带来的影响，量化为N；流体与颗粒之间的基础传热，量化为单颗粒Nu关联式，Ranz-Marshall；颗粒相互作用对传热过程的影响，量化为-β。
亮点
1. 超临界水（非线性物性流体）–颗粒相间传热模式呈现出与已有理论的一致性以及热量传递激增性。由此表明，颗粒团传热模化形式与当前已有模型相似，但需要进一步考虑非线性物性更高的热量传递；
2. 通过分析非线性物性在不同强度传热过程中的影响，提出了表征非线性物性影响的无量纲传热系数；并基于该无量纲系数与颗粒雷诺数和空隙率的相关关系，划分了非线性物性的不同效应区；
3. 将超临界水–颗粒相间传热解耦为三部分：高能传递、基础传热及相互作用，并对三部分分部模化，最终耦合建立了颗粒团的传热预测模型。
主要结论与展望
本文通过对超临界水–颗粒相间传热的模拟研究，获得了颗粒团传热的基本规律，提出了非线性物性不同效应区的划分，将相间传热解耦为三部分，并针对性的建立了相间传热模型。
本文为其他非线性物性流体的机理探索提供了一种可模化思路，补充和发展了流体–颗粒相间耦合机制理论，也为进一步深入研究超临界水–颗粒流反应器尺度的相关工作奠定了良好基础。
通讯作者简介
金辉，西安交通大学教授，博导，研究工作主要围绕推动煤炭超临界水气化制氢发电多联产技术产业化开展。发表第一/通讯SCI论文百余篇，总被引9800余次，h因子55；其中，19篇入选ESI高被引论文，4篇入选全球热点论文（hot papers）。入选2020、2021年世界排名前2%科学家名单（能源科学）、2022年全球顶尖前10万科学家。撰写专著1本，申请及授权国家发明专利50余项，授权软件著作权32项。主持国家自然科学基金委优秀青年基金、面上基金、青年基金项目，主持科技重大专项子课题2项、重点研发计划1项、省部级项目2项等。获2014年陕西省科学技术奖，入选2017年“高等学校十大科技进展”，获“吴仲华优秀青年学者奖”（2022）、“中国颗粒学会青年颗粒学奖”（2022）。
文章信息
Li, X., Wang, H., Zhang, B., & Jin, H. (2024). A numerical investigation on heat transfer characteristics of a particle cluster in fluid with variable properties. Particuology, 94, 327-344. https://doi.org/10.1016/j.partic.2024.08.019
供稿：原文作者
排版：姚金雨
审核：郝丽芳
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期
刊
简
介
Particuology(《颗粒学报》)是由中国科协主管，中国颗粒学会和中国科学院过程工程研究所主办，科学出版社和Elsevier出版集团共同出版的英文版月刊，正式创刊于2003年4月。首任主编为郭慕孙院士，现任主编为李静海院士。
Particuology(《颗粒学报》)最新影响因子4.1（Q2）, CiteScore 6.7，是颗粒学领域三大期刊之一。同时，《颗粒学报》始终坚持以创精品与国际化为办刊方针，多年来一直保持50%国际稿源，60%国际审稿，作者来自中国、美国、德国、英国、澳大利亚等20多个国家，读者遍布全球100多个国家，并连续十多年被评为“中国最具国际影响力期刊”称号。
Particuology(《颗粒学报》)主要刊登国内外颗粒学领域在研究、工程和应用方面的优秀原创论文，内容涉及颗粒测试与表征、颗粒制备与处理、颗粒系统与固体散料技术、流态化与颗粒流系统、模拟与仿真技术、气溶胶科学与技术、材料科学与工程、纳米颗粒、能源颗粒、生物颗粒与仿生技术等领域。热忱欢迎国内外相关领域专家、学者、研究人员来稿！
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