流化床气液两相流流场数值模拟研究

论文摘要

流化床反应器被广泛地应用于当前水处理领域中,是水处理行业必不可少的设备。反应器内气液传质效率直接关系到水处理的费用和效率。目前,由于人们对内部流场缺乏深入的认识,对反应器的选型和设计在很大程度上还依赖于实验和经验,而且无法向几何参数、操作条件不同的过程推广,使得反应器在运行过程中达不到预期的处理效果。近年来计算流体力学技术在流化床气液两相流流场数值模拟研究方面得到了广泛应用,这种方法不仅可以方便地对新型结构、不同操作状况等情况进行模拟,而且还可以获得反应器内的局部信息,使预测结果可视化,为反应器的优化设计及放大提供了依据。本文利用Fluent软件对流化床反应器内气液两相流流场进行了数值模拟,得出了反应器内压力场、液相速度场、气含率及湍动强度的分布情况。经模拟分析可知, k ?ε湍流模型能够对流化床反应器流场进行正确的模拟和预测。通过改变进气速度、气泡直径等操作参数及挡板间距、挡板长度等结构参数来研究操作参数和结构参数对流化床反应器内气液两相流流场的影响。从模拟结果分析比较可以看出,增大进气速度能够增加液相循环速度和气含率;减小气泡直径能够增加反应器内气含率,但会降低液相循环速度;增大挡板间距,减小了气含率的分布范围,使得升流区内液体回流现象严重;增加挡板长度,气泡群摆现象明显;挡板上边缘与升流区边壁高度不一致时,沉降区内液相速度分布不均匀,影响了反应器内气液两相间的充分混合。研究表明,应用数值模拟方法可以全面地反映流化床反应器内气液两相流的流动情况,有效地优化了流化床反应器结构。研究结果对流化床反应器的设计及应用具有一定的参考价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 研究现状
• 1.3 流场的研究方法
• 1.3.1 实验测量
• 1.3.2 数值计算
• 1.4 Fluent软件的介绍
• 1.4.1 Fluent软件的模型
• 1.4.2 利用Fluent软件的优势
• 1.5 本课题研究的内容
• 第2章 气液两相流数学模型
• 2.1 湍流数值模拟方法
• 2.1.1 完全模拟（DNS）
• 2.1.2 Reynolds平均法（RANS）
• 2.1.3 大涡模拟
• 2.1.4 湍流模型比较
• 2.2 气液两相流特点
• 2.2.1 两相间质量交换可以忽略
• 2.2.2 两相流采用局部静压平衡假定
• 2.2.3 水和空气密度相差悬殊
• 2.2.4 气泡在水中的运动特性
• 2.3 气液两相流模型
• 2.4 湍流模型选择及数值求解方法
• 2.4.1 湍流模型的选择
• 2.4.2 数值求解方法
• 2.4.3 收敛标准
• 2.5 本章小结
• 第3章 反应器数值模拟结果分析
• 3.1 模型验证
• 3.2 模拟参数的设置
• 3.2.1 流化床几何尺寸
• 3.2.2 三维模型及网格生成
• 3.2.3 物性参数
• 3.2.4 边界条件的设置
• 3.3 模拟结果分析
• 3.3.1 压力场分析
• 3.3.2 速度场分析
• 3.3.3 气含率分布
• 3.3.4 湍动情况分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 参数改变对流场的影响
• 4.1 进气速度对流场的影响
• 4.1.1 对速度场的影响
• 4.1.2 对气含率的影响
• 4.2 气泡直径对流场的影响
• 4.2.1 对速度场的影响
• 4.2.2 对气含率的影响
• 4.3 挡板间距对流场的影响
• 4.3.1 对速度场的影响
• 4.3.2 对气含率的影响
• 4.4 挡板长度对流场的影响
• 4.4.1 对速度场的影响
• 4.4.2 对气含率的影响
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢