弥合多尺度鸿沟：利用计算流体力学（CFD）模拟将喷雾干燥过程条件转换为单液滴干燥装置

工业喷雾干燥过程的开发通常依赖于对工艺参数与配方参数影响的经验性研究，因为在试验过程中，关于喷雾液滴干燥期间形貌形成的机理性认知仍较为有限。理解工艺参数和配方参数对颗粒形貌的影响，对于制备高质量粉体产品至关重要，因为颗粒形貌与产品性质相关，例如粉体流动性。单液滴干燥方法提供了在干燥过程中直接监测液滴的独特机会，从而拓展了对液滴形貌形成及干燥动力学的机理性理解。然而，单液滴干燥装置面临的一项主要挑战在于，其无法准确复现喷雾干燥器中液滴所经历的时间–温度历程，因为这些历程在实验上难以测定。为克服这一挑战，本研究采用计算流体力学（CFD）模拟喷雾塔内空气与颗粒沿程的温度、相对速度和停留时间。该模型利用中试规模喷雾干燥器的实验数据进行了验证，主要依据为空气出口温度，并以空气出口速度作为次级校核指标。基于模拟结果，研究人员确定了一条时间–温度历程，并将其施加于悬滴式干燥平台，从而能够在模型化环境中独立考察喷雾干燥过程中入口空气温度和出口空气温度的作用。结果表明，锁定点（locking point）可通过入口空气温度进行调控，而最终颗粒形貌主要受出口空气温度主导。因此，在研究与锁定点密切相关的现象（如团聚）时，动态温度条件下的干燥被认为至关重要。本研究标志着在单液滴干燥中复现类喷雾干燥条件迈出了关键一步。

该论文发表于《JOURNAL OF FOOD PROCESSING AND PRESERVATION》，研究围绕喷雾干燥与单液滴干燥（SDD）之间的尺度转换问题展开。喷雾干燥是食品保藏和颗粒成形中最常用的单元操作之一，其核心在于将液态进料雾化成微小液滴，并在热空气中快速除水形成粉体颗粒。在此过程中，液滴的干燥历程决定颗粒壳层形成、收缩、膨胀与表面起皱等形貌演化行为，而颗粒形貌又与粉体流动性、黏附性及终产品品质密切相关。然而，工业喷雾干燥器内部液滴数量巨大、空间可达性差，导致液滴干燥过程几乎无法被直接观测，因此工业开发长期依赖经验性试验，通过工艺参数与最终粉体性质之间的相关性进行优化，却难以获得液滴形貌形成的机理解释。这种开发路径不仅资源消耗大，而且难以指导具有预测性的工艺设计。

在这一背景下，单液滴干燥（SDD）因能够在受控条件下连续观测单个液滴的质量变化、温度变化和形貌演变，逐渐成为研究喷雾干燥机理的重要模型工具。但现有SDD体系仍存在关键局限，即难以真实复现喷雾塔内液滴所经历的动态时间–温度历程。以往研究虽已尝试通过变化空气温度模拟喷雾干燥中的动态热史，但这些设定往往缺乏来自真实喷雾干燥过程的数据支撑。因此，建立一种基于真实工艺、能够将喷雾干燥中的液滴热史转移到SDD平台的方法，对于提升小尺度模型实验的工业代表性具有重要意义。

围绕这一问题，研究人员设定了两个核心目标。第一，借助计算流体力学（CFD）确定中试喷雾干燥器中液滴在停留期间所经历的动态温度条件。由于液滴时间–温度历程无法直接实验测量，研究采用Eulerian–Lagrangian（欧拉–拉格朗日）两相流框架，对喷雾塔内空气流场、颗粒轨迹、相对速度、停留时间及热交换过程进行模拟，并以真实中试装置的出口空气温度和出口空气速度进行模型验证。第二，基于CFD获得的代表性时间–温度历程，在悬滴式SDD平台上实施动态温控实验，进而考察该热史对麦芽糊精（MD）液滴锁定点、干燥时间及最终颗粒形貌的影响。

主要技术方法方面，研究采用中试并流式喷雾干燥器实验数据对CFD模型进行校核，并在STAR-CCM+中建立以动量与传热为重点的欧拉–拉格朗日两相模型；空气相采用稳态RANS（Reynolds-averaged Navier–Stokes，时均Navier–Stokes）求解并使用RST（Reynolds stress transport，雷诺应力输运）湍流模型，颗粒相采用离散相模型（DPM）追踪轨迹；通过表观比热容方法近似考虑蒸发潜热效应；随后将CFD提取的关键时间–温度节点映射到悬滴式单液滴干燥平台，对25、35和45 wt% MD液滴开展图像分析、质量变化测定和扫描电子显微镜（SEM）表征。

研究首先验证了CFD模型在预测喷雾塔出口状态方面的可用性。以水和35 wt% MD溶液为进料的实验结果表明，模拟值与实测出口空气温度、出口空气速度总体吻合较好，说明模型虽在蒸发动力学方面作出简化，但对于本文所关心的空气温度分布、速度分布、颗粒轨迹和停留时间等参数具有足够的解释能力。进一步分析喷雾塔内部流场发现，干燥室内温度场与速度场存在明显不对称性。由于60 wt%的空气由围绕喷嘴的内环形分配器引入，形成偏向一侧的中心高速热风射流，并伴随局部涡旋结构，使喷雾塔内部形成空间异质性显著的温度区和回流区。这一结果说明，液滴在塔内所经历的热史并非单一固定路径，而强烈依赖其具体飞行轨迹。

在“Simulation of the Temperature and Velocity Profiles Inside the Spray Tower”部分，研究人员通过模型与实验比对证明了CFD框架能够再现中试喷雾塔的出口热力学与流动特征，并揭示了由进风分配方式引发的流场偏斜和温度不均现象，为后续液滴热史提取提供了物理基础。

在“Investigation of Particle Tracks”部分，研究结果显示颗粒粒径是决定喷雾分布的重要因素。较小颗粒约20 μm更倾向于沿塔体垂直轴线运动，而较大颗粒约60–100 μm则表现出更宽的喷雾锥分布、更强的惯性效应以及更高的壁面碰撞概率。相对速度分析表明，所有颗粒初始相对速度均较高，但小颗粒可在<0.01 s内迅速衰减到<0.5 m/s，而100 μm颗粒则需约0.1 s才能完成与气流速度的匹配，反映出粒径增大导致惯性增强、路径对初始喷射方向更敏感。停留时间结果进一步表明，粒径越大，平均停留时间越长，且离散性越强，这与其分布更广、碰壁更多直接相关。

在“Effect of the Particle Size on Drying Time”部分，研究人员考察了不同入口空气温度与空气质量流量条件下粒径对干燥终点的影响。结果表明，所有工况下干燥时间均随粒径增加而增加，且降低入口空气温度或空气流量会延长干燥时间。在标准条件下，100 μm颗粒的平均干燥终点为0.86 s。作者同时指出，由于CFD中假定液滴主要在恒速干燥阶段完成脱水，该值可视为实际喷雾干燥中干燥时间的下限估计。

在“Investigation of Air and Particle Temperature Over the Residence Time”部分，研究人员对空气温度和颗粒温度沿停留时间的变化进行了细化分析。结果表明，颗粒温度首先快速升至湿球温度，随后在表观比热容增大的“虚拟干燥阶段”近似保持稳定，待干燥完成后再次升高并趋向周围空气温度。对于100 μm颗粒，不同个体因轨迹不同而呈现独特的时间–温度曲线，部分颗粒经历局部冷区导致温度暂时下降，或在碰壁后出现异常温度特征。尽管个体差异显著，但整体上可提炼出具有代表性的热史特征：颗粒初始经历约448 K的高温环境，随后空气温度在约0.15 s内迅速下降，并在约占总干燥时间17.5%的阶段后进入接近358 K的相对稳定平台。该结果成为喷雾干燥热史向SDD转移的关键依据。

在“Comparison of Different Air Temperature Control Concepts”部分，研究人员将上述代表性热史外推到SDD时间尺度，并比较两种实验温控策略。目标是在35 wt% MD液滴、以358 K恒温干燥时约275 s的总干燥时间基础上，使前48 s对应喷雾干燥中前17.5%的高温衰减阶段。实验表明，相比通过冷热气流切换实现温度跃迁的方法，直接利用PID控制器将预热到403 K的系统快速调至358 K的方案更易获得平稳且接近目标热史的控温效果，因此被选作后续动态SDD实验的实现路径。

在“Impact of the Time–Temperature History on the Time to the Locking Point”部分，研究考察了动态热史对锁定点的影响。锁定点定义为液滴首次偏离初始球形的时刻，是表征形貌发展早期阶段的重要参数。结果显示，在25 wt% MD条件下，358 K恒温干燥的锁定时间约为35 s，而403 K恒温与动态热史条件下分别约为16.5 s和15.4 s，二者几乎相同。这说明锁定点主要由液滴早期所经历的初始高温决定，而非最终温度。随着MD浓度提高，锁定时间显著缩短，但动态热史与高温恒温之间的差异减弱。该发现表明，若研究团聚、壁面沉积及产率损失等与早期表皮形成和黏性密切相关的过程，在SDD中引入动态时间–温度历程具有明显必要性。

在“Impact of the Time–Temperature History on Final Drying Time”部分，研究显示干燥时间随空气温度由358 K升至403 K而缩短，符合高温提高整体干燥速率的预期。动态热史下的干燥时间位于两种恒温条件之间，说明其兼具较高初始干燥速率和较低后期平均温度的双重特征。值得注意的是，不同MD初始浓度对最终干燥时间影响不显著，提示总体干燥历程可能更多受降速干燥阶段控制，而非仅由恒速阶段长度决定。

在“Impact of the Time–Temperature History on Final Particle Morphology”部分，SEM结果揭示最终颗粒表面形貌主要由干燥后期温度决定。25 wt% MD在358 K下形成较明显褶皱表面，在403 K下则表现为较平滑且伴有裂纹的表面，而动态热史条件下形成的颗粒更接近358 K下的褶皱形貌。这表明尽管初始高温能够影响锁定点和早期干燥行为，但最终表面平滑度主要由末端温度控制。不同MD浓度对颗粒大小和球形度存在一定影响，但对表面平滑或起皱的主导作用并不明显。研究据此指出，在喷雾干燥语境下，入口空气温度更可能关联锁定点及早期结构固定，而出口空气温度则更可能决定最终颗粒形貌。

总体而言，论文的讨论部分强调了一个核心认识：喷雾干燥液滴的时间–温度历程具有显著的空间非均匀性与个体差异，单纯采用恒温SDD不足以反映真实工业喷雾干燥中的热史特征。借助经实验验证的CFD模型提取代表性热史，并将其转移到SDD平台，可以将入口空气温度与出口空气温度的作用解耦，分别研究其对锁定点、干燥速率和最终形貌的影响。这一策略不仅强化了SDD作为喷雾干燥机理研究模型的工业相关性，也为探索粉体流动性、黏附性、团聚倾向与颗粒形貌之间的联系提供了方法学基础。

研究结论部分可概括为：本研究确定了喷雾干燥液滴的代表性时间–温度历程，并成功将其转移至单液滴干燥（SDD）体系。简化的计算流体力学（CFD）模型经中试数据验证后，能够表征喷雾塔内空气温度场、速度场、颗粒轨迹及干燥进程。模拟表明，较大颗粒具有更宽的喷雾分布和更长的速度衰减时间，且不同颗粒具有各自独特的热史。研究识别出一组具有代表性的热史特征：液滴在干燥初期经历快速降温，约在总干燥时间的17.5%后进入相对稳定温区。基于该热史开展的SDD实验显示，动态温度条件会影响低浓度MD液滴的锁定点，其中初始高温起决定作用；较高初始温度还能在所有测试浓度下缩短干燥时间；最终颗粒形貌则主要由干燥末端温度决定，较低末端温度对应褶皱表面，较高末端温度对应较平滑表面。综上，该研究证明了利用CFD支撑的动态热史能够在SDD中区分喷雾干燥入口与出口温度的作用，为实现更接近喷雾干燥真实条件的单液滴研究迈出了关键一步。