液固循环流化床（LSCFB）技术以其显著的液固速度差和高效的混合特性而广泛应用于废物处理、资源回收、化学工程和生物质能源等领域[1]、[2]、[3]、[4]。随着对环境保护需求的增加，这项技术有望成为能源回收的关键手段，具有广泛的应用前景。在液固系统中，随着液相流速的提高，系统会依次经历四个典型的流化阶段：固定床、常规流化、循环流化和液相传输[5]。与气固系统相比，液固系统的显著特点是液相和固相之间的密度差异较小，从而实现了更理想的流化行为[6]。
根据流体的不同类型，流化可以分为三种类型：气固流化、液固流化以及气液固流化[7]。与气固流化床（GSCFB）相比，LSCFB表现出更理想的流化质量[8]，主要体现在床层膨胀更稳定、颗粒分布更均匀以及相间接触效率更高等方面[9]。1954年，Richardson和Zaki等人[10]研究了传统LSCFB中表面液速与床层空隙率之间的关系，并提出了一个数学表达式（R-Z方程），这是该领域的重大研究成果。随后，关于常规LSCFB的研究进入了高峰期。20世纪80年代，Fan Liangshi等人[11]首次对逆流操作的常规LSCFB的床层膨胀动态进行了实验研究，揭示了颗粒特性和操作参数如何影响流动行为。Puhan等人[12]结合颗粒动力学理论和欧拉方法，研究了颗粒密度和流化床几何形状对倾斜LSCFB流动行为的影响。Wang等人[5]使用两相流模拟分析了逆流常规LSCFB中的颗粒动态，发现颗粒轴向速度和床层膨胀高度与液速呈正相关。同时，颗粒温度随固体体积分数的增加而升高，达到峰值后逐渐下降。
LSCFB在液相流速超过颗粒沉降速度Ut的条件下运行[13]，具有质量传递效率高、体积紧凑、运行连续以及能够实现双重反应等优点。Roy和Dudukovic[14]利用欧拉-拉格朗日模型模拟分析了液体和固体颗粒在系统中的停留时间、颗粒速度分布以及上升管内的固体持量分布。Zheng等人[15]使用塑料、玻璃和高密度钢珠进行了实验，将上升管划分为初始区和完全发展的循环流化区，研究了各自的流体动力学特性。他们的研究发现，降低表面液速会导致固体持量分布的径向不均匀性显著增加。Sang等人[16]通过分析多种指标，研究了颗粒尺寸和紧凑性对LSCFB上升管内固体持量的影响，结果表明表面流速是衡量颗粒特性对固体含量持量影响的最关键因素。Cheng和Zhu[17]采用双欧拉模型模拟了正向循环流化床的流体动力学，考虑了操作参数、颗粒特性和上升管配置等多种因素，并利用计算流体动力学研究了这些床层的放大过程，将结果与相似性原理的预测结果进行了比较。Dadashi等人[18]采用欧拉-欧拉多相方法结合颗粒动力学理论研究了正向流动LSCFB的流体动力学行为，将多种k-ε湍流模型与实验测量结果进行了对比，发现分散的k-ε多相湍流模型具有更优的预测性能。Gnanasundaram等人[19]研究了LSCFB上升管内固体持量的分布情况，实验结果表明上升管内的固体持量沿轴向均匀分布。
在设计和改进LSCFB系统时，为了满足特定的工艺要求或实现特定的反应目标，通常需要引入功能性内部构件，如换热管束、多级导流装置、特殊分布器和电极。以我们研究小组之前的工作[20]为例，创新开发了一种流化床微生物燃料电池（MFC）堆栈系统，通过集成电极组件实现了反应器内的同时流化和生物电化学转化。Gao等人[21]通过CFD模拟和PIV实验研究了F型管和U型管对FBR流体动力学行为的影响，结果表明F型管使床层空隙率增加了3.2%，压降降低了13.0%，而U型管使空隙率增加了2.1%，压降降低了11.2%。与没有内部构件的系统相比，这两种组件显著提高了流化质量，改善了颗粒均匀性并增强了颗粒的循环。Ali-Akbar Sarbanha等人[22]通过优化床内内部构件的设计提高了抗扰动性能，结合数字图像处理和颗粒图像测速技术，系统评估了不同内部构件（菱形、人字形和垂直挡板）在垂直、倾斜和滚动条件下的流体动力学稳定性，结果表明菱形内部构件的稳定性最佳，达到了无内部组件的陆地垂直系统的93%；人字形和垂直挡板设计的稳定性分别为60%和55%。这些创新设计有效解决了气体分布不均匀的问题，使流化床即使在复杂的海洋条件下也能保持稳定运行，为船舶尾气排放减少提供了可靠的解决方案。Kasama Sirisomboon等人[23]采用集总系统分析方法研究了过量空气和能量分布对双旋流化床燃烧器中传热系数的影响，该燃烧器同时燃烧桉树皮和花生壳。结果表明，诱导涡流的内部构件产生了旋流，改善了燃料-空气混合，减少了滞留区域，从而提高了流化床系统的燃烧效率。Liu等人[24]使用CFD模拟研究了挡板配置对工业流化床内流动动力学的影响，结果表明与通道挡板相比，装有百叶窗挡板的流化床具有更均匀的气体速度分布和颗粒分布，显著抑制了气体返混现象，表明百叶窗挡板显著提高了流化床效率，并为工业FBR的结构设计提供了重要的理论支持。
以往的研究主要采用脉动流来提高常规FBR的流化质量及传热和传质效率，但在连续运行方面并未显示出优势[25]、[26]。然而，常规液固FBR的内部结构相对简单，在满足现代工业日益复杂的工艺需求方面存在显著局限性，包括难以实现多物理场（如电-热-流场）的协同耦合、难以精确调节关键工艺参数（温度、浓度、pH值等）以及难以选择性增强复杂反应系统。目前，关于内部构件如何影响LSCFD流体动力学特性的研究较少。本研究在传统CFD系统的基础上，引入了类似电极形状的圆柱形内部构件，以满足特定的工业需求，实现了电化学反应和流化过程的协同增强。同时，它可以抑制流化床内液体和固体颗粒的返混，优化流场分布，并提高液固接触效率。本研究结合数值模拟和实验验证，深入分析了不同内部构件布置、液体流速、颗粒密度和颗粒大小对反应器流动动力学的影响，发现引入内部构件可以在特定工艺条件下满足工程要求，同时有效改善流场并提升反应器性能。
