氣液兩相流擺動特性實驗的數(shù)值模擬.pdf

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1、第33卷第1期2017年2月化學(xué)反應(yīng)工程與工藝ChemicalReactionEngineeringandTechnologyVrol33．NO1Feb．2017文章編號：1001--7631(2017)0l—舯73—09DOI：10．11730，j．issn．1001．7631．2017．01．0073．09氣液兩相流擺動特性實驗的數(shù)值模擬馬霞，李國棟，范翠香，高揚西安理工大學(xué)，陜西西安710048摘要：為了給鼓泡塔反應(yīng)器設(shè)計提供依據(jù)，運用計算流體力學(xué)(CFD)軟件模擬了鼓泡塔氣液兩相流動態(tài)行為。采用雙歐拉法對鼓泡塔矩形反應(yīng)器內(nèi)不同曝氣量下氣液兩相流的擺動特性進行了模

2、擬考察，液相采用標準ns紊流模型，氣相采用分散相零方程模型，分析了網(wǎng)格尺寸、時間步長以及相問作用力對模擬結(jié)果的影響，模擬的曝氣量為42．5～237mL／s。結(jié)果表明，當相問作用力僅考慮阻力時，氣液兩相流呈現(xiàn)周期性擺動規(guī)律；隨著氣流量的增加，氣泡羽流的擺動幅度和頻率增大，同時液體的氣含率也在增加；模擬的氣液兩相流擺動頻率數(shù)據(jù)與實驗值吻合較好，兩者的相對誤差為7．2％～12．9％。關(guān)鍵詞：鼓泡塔氣液兩相流擺動特性雙歐拉l阿模型中圖分類號：0359文獻標識碼：A鼓泡塔是一種氣液兩相流反應(yīng)器，氣體從塔底部噴入，形成分散的氣泡群，氣泡群在液體中上升，同時帶動液體向上運動，氣泡羽流

3、兩側(cè)會產(chǎn)生向下的液體流動，流動現(xiàn)象復(fù)雜多變，已有大量關(guān)于此類流動問題的文獻發(fā)表[1。5】，其中矩形反應(yīng)器內(nèi)氣泡群流動一直是實驗和數(shù)值模擬研究的熱點，但是由于流動特性與反應(yīng)器結(jié)構(gòu)及操作方式有很大的關(guān)系，此類反應(yīng)器的設(shè)計和放大仍然是一個問題。與傳統(tǒng)的實驗方法相比，數(shù)值模擬具有耗費小、可重復(fù)等優(yōu)點，能夠預(yù)測實驗難以測量的局部流場細節(jié)。目前氣液兩相流模擬主要有歐拉一拉格朗日澍6吲和歐拉．歐拉法‘9。141(雙歐拉法)兩種方法，歐拉．歐拉法的計算不受氣含率的限制，計算資源相對低【141。利用雙歐拉艫s模型進行三維模擬可以復(fù)現(xiàn)氣泡羽流的周期性運動特性[1,11-17]，但對于相間作

4、用力仍存在爭議，Sokolichin等[11,12,151認為，阻力對氣液兩相流的擺動特性影響較大，虛擬質(zhì)量力對模擬結(jié)果的影響不明顯；Mudde掣14】報道，為了準確模擬氣泡羽流的振蕩周期和速度場，還應(yīng)考慮虛擬質(zhì)量力與阻力；并且，不同的學(xué)者采用了不同的阻力模型。本研究采用計算流體力學(xué)(ANSYSl4．0中CFX5)軟件，采用歐拉．歐拉法結(jié)合標準K-8紊流模型，基于EnriqueJulifi等[18]的實驗結(jié)果，對鼓泡塔內(nèi)氣液兩相流的擺動特性進行三維數(shù)值模擬，考察不同的網(wǎng)格尺寸、時間步長、相間作用力(阻力、升力和虛擬質(zhì)量力)的影響，選擇出適宜的參數(shù)和模型以能夠較為準確地模

5、擬鼓泡塔內(nèi)氣液兩相流的擺動特性，以期為提高鼓泡塔反應(yīng)器混合效率提供依據(jù)。1反應(yīng)器結(jié)構(gòu)及模型基于EnriqueJulifi的實驗結(jié)果[181，建立圖1所示反應(yīng)器計算模型，其中鼓泡塔寬度瞅沿x方向)為264mm、厚度B(沿z方向)為31nllTl、高度H(沿y方向)為792mlTl，坐標原點位于模型底部收稿日期：2016．12—14；修訂日期：2017—01．28。作者簡介：馬霞(1976一)，女，高級工程師。E-mail：maxia@xaut．edu．cn?；痦椖浚簢易匀豢茖W(xué)基金項目(31500340)：環(huán)境工程國家重點學(xué)科培育學(xué)科項目(106-5X1204)。74化

6、學(xué)反應(yīng)工程與工藝2017年2月中心點；底部居中的曝氣區(qū)域為矩形區(qū)域，寬度47．52mlTl。模擬中流體介質(zhì)為水和空氣，水的運動黏滯系數(shù)為10～m2／s，密度為998．2kedm3，氣相為空氣，其密度為1．225kg／m3。計算模型采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，采用了三種網(wǎng)格尺寸：粗網(wǎng)格23(聊x5(B)x44(H)、中網(wǎng)格42(叻x8(B)x79(H)、細網(wǎng)格82(聊x14(B)x160(／4)。2數(shù)學(xué)模型采用三維歐拉多相流模型模擬矩形裝置內(nèi)多孔平板噴射器產(chǎn)生的氣泡群在水中的動態(tài)行為。液體考慮成連續(xù)相，l矽聲＼×圖1計算模型Fig．1Bubblecolumngeometrymod

7、el氣體認為是由圓球氣泡組成的分散相，不考慮氣泡的破碎和聚并以及相間的質(zhì)量傳遞。紊流模型：液相采用Ⅳ．s模型，氣相采用分散相零方程模型。流體被認為是不可壓縮的且等溫的。(1)在歐拉坐標系下基于雷諾平均的質(zhì)量守恒方程：蘭(成詠)+里·(Pkakz女)=0k=1，2(1)式中：k=l，代表液相；k=2，代表氣相；鯫為各相的體積分數(shù)(6cl為液相的體積分數(shù)；6c2為氣相的體積分數(shù))；m為各相的密度；v女為各相速度矢量。(2)基于雷諾平均的動量方程：曇(反6kv∥里·(pk出)=--OrkV_pPkak一十里{．一V_vvI+(立女’卜FPkak