水汽变换反应（water gas shift reaction,WGSR）在重整制氢过程中起着至关重要的作用。水汽变换反应器一般为颗粒填充的固定床管式反应器,现今有两种模拟方法较为常见:颗粒解析的计算流体力学（particle-resolved CFD,PRCFD）与伪介质模型（pseudo continuum model,PCM）。然而颗粒解析模型由于高昂的计算成本难以将其应用到大规模的实际生产中,且伪均质模型准确度欠佳,为了解决现有模拟方法的不足,本研究利用PRCFD对水汽变换固定床反应器进行了研究并基于PRCFD与PCM提出了一种计算成本与准确度均合适的各向异性的模型（anisotropic continuum model,ACM）,对水汽变换固定床反应器颗粒内热值传递过程进行了数值模拟,揭示其协同作用机理。首先,我们利用离散元方法重现了床层形貌,并重建了圆柱颗粒和球形颗粒填充的床层几何结构。紧接着,我们对PRCFD、PCM和ACM三种模型应用了不同的物理方程,之后我们对模拟的结果进行了处理,得到了流动、传热、传质与反应分布云图,并统计得到了轴向和径向平均结果。其次,针对不同颗粒直径与反应器直径,我们对球形和圆柱颗粒填充的反应器进行了研究。当反应器直径不变,颗粒直径由5 mm变为7 mm时,压降减少了50%～70%,这是颗粒之间缝隙变大从而流速减小,以及比表面积下降引起的。此外气体平均年龄有所增大;球形颗粒的最高温升降低了7%,圆柱的平均温升提高了8%,表明球形颗粒增大直径有利于降低温度;平均反应速率下降20%,反应器出口转化率下降27%,说明增大颗粒直径仍然显著阻碍反应。当颗粒直径不变,反应器直径从20 mm减小到14 mm时,反应器压降减少了20%～40%,气体年龄也有所增大;球形颗粒的平均温升降低了20%,而圆柱颗粒的平均温度变化较小;总体转化率受颗粒体积减少影响降低了11%。表明缩小反应器直径,可以有效降低反应器温度,同时提高催化剂利用效率。最后,结合第三章结论和PRCFD与PCM两者优点,提出了ACM。我们发现PRCFD的精确性在于解析了完整的几何,因此我们将三维几何信息压缩为径向孔隙率的二维信息;此外我们利用单颗粒的解析模拟,得到了随温度与摩尔分数变化的有效因子。最终以PRCFD结果作为基准对比ACM与PCM结果,发现ACM将转化率准确度提高了20%,温度准确率提高了70%,相比PRCFD的计算时间降低了两个数量级。同时证明了颗粒床层的径向的几何形态、颗粒内热质传递以及物理场之间的相互作用,导致了物理场径向的特殊分布,而轴向的几何形态对物理场影响较小。