Particle science and technology is a rapidly developing interdisciplinary research area with its core being the understanding of the relationships between micro- and macroscopic properties of particulate/granular matter—a state of matter that is widely encountered but poorly understood. The macroscopic behaviour of particulate matter is controlled by the interactions between individual particles as well as interactions with surrounding fluids. Understanding the microscopic mechanisms in terms of these interaction forces is therefore key to leading to truly interdisciplinary research into particulate matter and producing results that can be generally used. This aim can be effectively achieved via particle scale research based on detailed microdynamic information such as the forces acting on and trajectories of individual particles in a considered system. In recent years, such research has been rapidly developed worldwide, mainly as a result of the rapid development of discrete particle simulation technique and computer technology. This paper reviews the work in this area with special reference to the discrete element method and associated theoretical developments. It covers three important aspects: models for the calculation of the particle–particle and particle–fluid interaction forces, coupling of discrete element method with computational fluid dynamics to describe particle–fluid flow, and the theories for linking discrete to continuum modelling. Needs for future development are also discussed.

The approach of combining computational fluid dynamics (CFD) for continuum fluid and the discrete element method (DEM) for discrete particles has been increasingly used to study the fundamentals of coupled particle–fluid flows. Different CFD–DEM models have been used. However, the origin and the applicability of these models are not clearly understood. In this paper, the origin of different model formulations is discussed first. It shows that, in connection with the continuum approach, three sets of formulations exist in the CFD–DEM approach: an original format set I, and subsequent derivations of set II and set III, respectively, corresponding to the so-called model A and model B in the literature. A comparison and the applicability of the three models are assessed theoretically and then verified from the study of three representative particle–fluid flow systems: fluidization, pneumatic conveying and hydrocyclones. It is demonstrated that sets I and II are essentially the same, with small differences resulting from different mathematical or numerical treatments of a few terms in the original equation. Set III is however a simplified version of set I. The testing cases show that all the three models are applicable to gas fluidization and, to a large extent, pneumatic conveying. However, the application of set III is conditional, as demonstrated in the case of hydrocyclones. Strictly speaking, set III is only valid when fluid flow is steady and uniform. Set II and, in particular, set I, which is somehow forgotten in the literature, are recommended for the future CFD–DEM modelling of complex particle–fluid flow.

Abstract The approach of combined discrete particle simulation (DPS) and computational fluid dynamics (CFD), which has been increasingly applied to the modeling of particle‐fluid flow, is extended to study particle‐particle and particle‐fluid heat transfer in packed and bubbling fluidized beds at an individual particle scale. The development of this model is described first, involving three heat transfer mechanisms: fluid‐particle convection, particle‐particle conduction and particle radiation. The model is then validated by comparing the predicted results with those measured in the literature in terms of bed effective thermal conductivity and individual particle heat transfer characteristics. The contribution of each of the three heat transfer mechanisms is quantified and analyzed. The results confirm that under certain conditions, individual particle heat transfer coefficient (HTC) can be constant in a fluidized bed, independent of gas superficial velocities. However, the relationship between HTC and gas superficial velocity varies with flow conditions and material properties such as thermal conductivities. The effectiveness and possible limitation of the hot sphere approach recently used in the experimental studies of heat transfer in fluidized beds are discussed. The results show that the proposed model offers an effective method to elucidate the mechanisms governing the heat transfer in packed and bubbling fluidized beds at a particle scale. The need for further development in this area is also discussed. © 2009 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 2009