立式循环撞击流反应器三维流场的数值模拟.pdf

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1、第38卷第1期化工机械87立式循环撞击流反应器三维流场的数值模拟’杨侠¨罗燕郭嘉张捷吴艳阳(武汉工程大学)摘要利用Fluent软件对立式循环撞击流反应嚣三堆流场进行数值模拟和分析。立式循环撞击流反应器内速度场和压力场分布关于撞击面对称，证实了驻面的存在。导流筲外侧和撞击面边缘存在兄区；由于导流筒对流体引导作用。撞击区水平面鼻轴上速度最大的点出现在导流筒近壁面位I；定义了表征不同撞击流初始速度下混合效率无量纲系数k。且k值随撞击流初始速度‰增加而增大，其中在O．1—0．3m／s之间有小幅波动。大于0．3m／s后增幅平稳。关键词立式撞击流反应嚣流场数值模拟中图分类号

2、TQ052．5文献标识码A文章编号0254-6094(2011)Ol-0087-04撞击流(ImpingingStreams，简称IS)作为科学概念首先由Elperin⋯提出，其最初构思是通过两相高速流体相向流动撞击，在撞击瞬间达到高相对速度，从而强化相间传递。进一步研究表明，撞击流具有一系列优越特性，尤其是能够有效强化相间传递和促进微观混合等特性，具有较高工程应用价值。立式循环撞击流反应器(VerticalCir—culativeImpingingStreamReactor，简称VCISR)就是一种利用撞击流特性的反应器，对VCISR流场特性的数值研究有助于了

3、解该类反应器的混合机理，促进结构优化。为此，笔者采用FLUENT软件对VCISR流场进行数值模拟。1结构及特点立式循环撞击流反应器(图1)上下两个导流筒对称安装，安装在导流简进口处螺旋桨叶高速转动，推进流体沿导流筒高速流动，在VCISR对称面处相向撞击，形成一个高速湍动的撞击区。该区域流体相互混合强烈，可大大强化相间传递。撞击后流体沿壁面回流，回流至导流筒进口处再次被桨叶通过导流筒推送进入撞击区，如此反复循环。VCISB具有在相同输入有效功率下，制得的产品粒径更细、粒径分布更窄以及反应所需时间更短等特点⋯。螺旋桨掩。旨区导流筒图1VCISR结构示意图2数学模型2

4、．1几何模型定义反应器底面圆心为原点，导流筒轴线为Y轴，垂直径向为名轴。水平径向为z轴。参照反应器实验台结构尺寸，利用GAMBIT构造面和体，建立的几何模型(取对称部分)如图2所示。2．2控制方程直角坐标系下，参照文献[3—6]，VCISR中·国家内然科学基金项日资助(50906065)；湖北省教育厅优秀中青年基金项目资助(Q20081508)；武汉工程大学青年科学堆金(wit—Q2008007)。¨杨侠．男．1978年4月生，副教授。湖北省武汉市．430073。88化工机械2011年图2VCISR几何模型流动满足的控制方程有连续性方程、xyz3同动量方程、能量

5、方程、湍动能方程和湍流耗散率方程：塑+V(p￡，)=O(1)at‘。掣+diV(舢)=div(柙Ⅱ)城一罢(2)掣+diV(∥￡，)=div(印口)堪一面ap(3)掣+diV(pwu)=div(。V埘)城一罢(4)式中叼。——湍流黏性系数；S。、S。和卜分别为茗，Y和：方向的源项。等+diV(∥)-djv(丢V叭s，(5)式中A——热传导系数；C_比定压热容；S，——热源项。p芒+puj竺：要[(，，+旦)竺]+p面瓦2瓦o‘可+一O"t’瓦o+叼。詈(差+警)-ctp竿C⋯6)仉i‘瓦+菇卜clpTPP萼+put警：当[(’，+卫)竺]+i瓦2瓦oo呀+Z’一

6、Oxkl+Tq占叼，iaU,‘瓦art,+尝)-c2pT占2(7)吼i‘瓦+瓦’¨’式中k——湍流动能；l——湍流特征尺度，m；矿。——与湍流动能对应的普朗特准数，盯。=I．0；盯．——耗散率对应的普朗特准数，盯。=I．3；占——湍流耗散率；v／——分子黏性系数。2．3方程求解与边界条件将VCISR几何模型导人3DSegregated求解器，采用SIMPLE算法耦合速度场和压力场，按稳态(Steady)问题求解，时间步长0．01s，反应器工质为20。C蒸馏水，物性参数如下：密度P998．2ks／m’粘度肛1．002mPa·s比热C4．183kJ／(kg·℃)导热

7、系数A0．599W／(m·℃)边界条件为两导流筒入口处，，轴正、负方向初始速度变化范围为0．1～1．0m／s，液面上表压为0，壁面满足无滑移条件，即相对速度为0。3计算结果及分析数值计算可得到VCISR撞击区域速度矢量图及压力云图等，笔者重点考察撞击区内的速度和压力分布。3．1速度分布计算结果计算得到反应器中垂直面的速度矢量图如图3所示。从图3可看出，流体以等速流经导流筒，在撞击面上相向撞击后循环回到导流筒入口，模拟较准确地得出流场中速度场的分布，其中速度场的分布关于撞击面对称，这与PowellA、TamirA和张建伟等。“引研究结果相一致，证实了驻面的存在，采

8、用FLUENT软件对VC