气升式环流反应器内流体数值模拟研究

论文摘要

气升式环流反应器是从鼓泡塔发展起来的多相流反应器。传统的气升式反应器主要由上升管、导流筒和分布器组成。由于反应器内部无运动部件,且混合性能好、体积传系数高,目前已被广泛应用于化学工业、生物化工和废水处理等过程。循环液速及气含率是环流反应器设计中的关键参数,然而由于气升式反应器内复杂的两相流运动,理论分析很困难。因此气升式反应器的设计、选型和放大往往依靠实验和个人经验,耗费大量资金和时间。采用计算流体力学方法求解流场、气液混合和质量传递,不仅仅节约大量资源,而且可以得到实验无法得到的的局部参数。计算流体力学在反应器的设计和优化中起到越来越重要的作用。本文研究了气升式反应器内部两相流物理模型和数学模拟,展示了计算流体力学模拟气升式反应器的可靠性。该两相流模型采用的是基于雷诺平均Navier-Stokes方程导出的两流体模型。湍流模型采用标准k-ε模型。两流体模型中湍流项和相间动量传递项对流场的分布和气含率有较大影响。相间动量传递项由曳力、附加质量和升力项组成。本文重点分析了附加质量力和三种不同曳力模型（Schiller and Naumann,Clift andKaramanev and Nikolov）对气升式环流反应器内流体流动和气含率的影响;编制了相应的相间传递模型UDF程序;采用CFD软件FLUENT6.3.26,研究了不同表观气速和不同相间传递模型情况下,气升式反应器的环流液速、气含率和流场分布;研究分析了流场对气泡直径敏感性。通过模拟值与试验值的比较,结果表明Clift相间曳力模型计算结果与实验值较吻合。所研究的CFD模型可以为气升式环流反应器研究和设计提供参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 引言
• 1 绪论
• 1.1 气升式环流反应器简介
• 1.2 气升式环流反应器的开发
• 1.2.1 外筒的形状、高径比研究及应用
• 1.2.2 导流筒结构、附件研究进展及应用
• 1.2.2.1 导流筒结构研究及应用
• 1.2.2.2 导流筒附件研究及应用
• 1.2.3 气升式环流反应器分布器研究
• 1.2.4 气升式环流反应器与其他技术的协同操作
• 1.3 气升式环流反应器研究方法
• 1.3.1 理论分析
• 1.3.2 实验研究
• 1.3.2.1 气含率及气相流动的研究
• 1.3.2.2 液体循环速度
• 1.3.2.3 液相氧体积传质系数
• 1.3.3 数值模拟
• 1.3.3.1 计算流体力学简介
• 1.3.3.2 两相流模型研究
• 1.3.3.3 气升式环流反应器数值模拟研究进展
• 2 计算流体力学模型选择及分析
• 2.1 概述
• 2.2 多相流模型的介绍及选择
• 2.2.1 欧拉-拉格朗日方法
• 2.2.2 欧拉-欧拉方法
• 2.3 欧拉（Eulerian）模型理论
• 2.3.1 数学模型
• 2.3.2 湍流模型
• 2.3.3 多相湍流模型
• 2.3.4 湍流壁边界模型
• 2.3.4.1 壁边界模型（Near-wall model）
• 2.3.4.2 标准壁函数（Standard wall function）
• 2.4 模型的求解及数值算法
• 2.4.1 方程式的离散
• 2.4.2 差分格式
• 2.4.3 速度-压强关联算法
• 3 数值模拟的验证工作及UDF
• 3.1 概述
• 3.2 CFD数值模拟过程
• 3.2.1 模拟对象
• 3.2.2 几何模型
• 3.2.3 计算模型
• 3.2.4 物理模型
• 3.2.5 数值求解
• 3.2.6 收敛性分析
• 3.3 CFD验证工作及UDF
• 3.3.1 网格独立性考察
• 3.3.2 UDF可靠性验证
• 3.3.3 虚拟质量力影响分析
• 3.3.4 曳力模型考察及实验验证
• 3.3.4.1 实验验证
• D模型下径向分布的影响'>3.3.4.2 不同C_D模型下径向分布的影响
• 3.4 小结
• 4 模拟结果可视化及分析
• 4.1 压力分布
• 4.2 速度及气含率
• 4.3 操作参数的影响
• 4.4 气泡直径的影响
• 4.5 小结
• 5 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 课题展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢