喷射环流反应器的数值模拟

论文摘要

喷射环流反应器结合了喷射与环流的技术优势，因其在反应器内部形成较强的循环，对反应物之间的传质、传热、混合有利，具有传质效率高、水力停留时间短、容积负荷高、抗冲击负荷能力强等特点。目前，对JLR的研究主要集中在对气-液、气-固相的研究上，在以液相为连续相，固体为分散相上的研究较少；喷嘴是JLR的重要结构，喷嘴的尺寸、位置对反应器内部流场有较大影响，从而影响反应器的传质效率。本文利用计算流体力学的方法，通过数值模拟和实验相互结合补充的方法，对液固喷射环流器的喷嘴结构进行了较深入的研究。测量了不同喷嘴出口速度和不同喷嘴位置下，导流筒内和环隙的速度，并绘制速度分布图。采用FLUENT软件中三种湍流模型，标准k-ε模型、Realizable k-ε模型、RNG k-ε模型分别模拟计算JLR内的速度场，并与实验值进行比较。结果发现标准k-ε模型能与实验值较好的吻合。采用标准k-ε模型模拟不同喷嘴半径、不同喷嘴位置下JLR内的速度场、压强场、湍动能、内外循环比，并进行分析比较，选择最优喷嘴大小，和最优喷嘴位置。通过对结果的分析发现，喷嘴位置为40mm，喷嘴半径为20mm时为较优参数。在液-固两相模拟中采用离散模型，计算了固体颗粒在环流反应器内的运动轨迹、不同速度下颗粒的停留时间、不同的颗粒直径的停留时间分布。采用基于欧拉方法的混合模型，计算反应器内部颗粒的固含率。通过对JLR内的速度场、压强场、和湍动能、内外循环比进行计算和分析，为JLR的设计和放大提供了理论基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 喷射环流反应器研究现状
• 1.2.1 喷射环流反应器结构的研究
• 1.2.2 JLR 喷嘴研究进展
• 1.3 液速对固体颗粒运动情况的影响
• 1.4 环流反应器的应用
• 1.5 计算流体力学（CFD）
• 1.5.1 CFD 介绍
• 1.5.2 FLUENT 概述
• 1.5.3 GAMBIT 简介
• 1.5.4 Tecplot 简介
• 1.6 CFD 在化工过程中的应用
• 1.7 研究内容
• 第2章 JLR 数值模拟理论基础
• 2.1 数值模拟的控制方程
• 2.1.1 质量守恒方程
• 2.1.2 动量方程控制方程
• 2.1.3 能量方程
• 2.2 湍流模型
• 2.2.1 标准 k-ε模型
• 2.2.2 RNG k-ε模型
• 2.2.3 Realizable k-ε模型
• 2.2.4 RSM 模型
• 2.3 多相模型的选择
• 2.3.1 欧拉－拉格朗日方法
• 2.3.2 欧拉－欧拉方法
• 2.3.3 流体体积模型（VOF）
• 2.3.5 欧拉模型
• 2.4 Mixture 模型的概述
• 2.4.1 局限性
• 2.4.2 混合模型求解方程
• 第3章 实验部分
• 3.1 实验装置
• 3.1.1 上喷式环流反应器
• 3.1.2 实验介质
• 3.1.3 实验流程
• 3.2 流速检测方法
• 3.2.1 液速测量原理
• 3.2.2 电容式微差压变送器原理
• 3.3 实验仪器
• 3.4 实验方案与步骤
• 3.4.1 实验方案
• 3.4.2 实验步骤
• 3.5 模拟模型的建立
• 3.5.1 几何模型
• 3.5.2 网格划分及策略
• 3.5.3 网格无关性验证
• 3.5.4 湍流模型的初步选择
• 3.5.5 边界条件
• 3.5.6 模型求解与收敛
• 3.6 JLR 的模拟
• 第4章 实验、模拟结果和分析
• 4.1 喷嘴出口速度对反应器内速度场的影响
• 4.1.1 喷嘴出口速度对导流筒内部流场的影响
• 4.1.2 喷嘴出口速度对环隙速的影响
• 4.2 喷嘴位置对反应器速度场的影响
• 4.2.1 喷嘴位置对导流筒内部流速的影响
• 4.2.2 喷嘴位置对环隙速度的影响
• 4.3 本章小结
• 第5章 单相模拟结果分析与讨论
• 5.1 速度矢量图
• 5.2 三个方向上的速度分析
• 5.3 喷嘴半径对反应器流场的影响
• 5.3.1 喷嘴半径对速度场的影响
• 5.3.2 喷嘴半径对压力场的影响
• 5.3.3 喷嘴半径对湍动能的影响
• 5.4 喷嘴位置对反应器流场的影响
• 5.4.1 喷嘴位置对速度场的影响
• 5.4.2 喷嘴位置对压力场的影响
• 5.4.3 喷嘴位置对湍动能的影响
• 5.5 对内外循环比的影响研究
• 5.5.1 喷嘴出口速度对内外循环比的影响
• 5.5.2 喷嘴位置对内外循环比的影响
• 5.5.3 喷嘴半径对内外循环比的影响
• 5.6 本章小结
• 第6章 多相模拟结果和讨论
• 6.1 离散模型模拟
• 6.1.1 颗粒轨迹运动情况
• 6.1.2 颗粒停留时间
• 6.1.3 颗粒速度
• 6.2 混合模型模拟
• 6.2.1 不同截面上的颗粒固含率
• 6.3 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间论文发表情况
• 致谢