气液两相流摆动特性实验的数值模拟.pdf

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1、第33卷第1期2017年2月化学反应工程与工艺ChemicalReactionEngineeringandTechnologyVrol33．NO1Feb．2017文章编号：1001--7631(2017)0l—舯73—09DOI：10．11730，j．issn．1001．7631．2017．01．0073．09气液两相流摆动特性实验的数值模拟马霞，李国栋，范翠香，高扬西安理工大学，陕西西安710048摘要：为了给鼓泡塔反应器设计提供依据，运用计算流体力学(CFD)软件模拟了鼓泡塔气液两相流动态行为。采用双欧拉法对鼓泡塔矩形反应器内不同曝气量下气液两相流的摆动特性进行了模

2、拟考察，液相采用标准ns紊流模型，气相采用分散相零方程模型，分析了网格尺寸、时间步长以及相问作用力对模拟结果的影响，模拟的曝气量为42．5～237mL／s。结果表明，当相问作用力仅考虑阻力时，气液两相流呈现周期性摆动规律；随着气流量的增加，气泡羽流的摆动幅度和频率增大，同时液体的气含率也在增加；模拟的气液两相流摆动频率数据与实验值吻合较好，两者的相对误差为7．2％～12．9％。关键词：鼓泡塔气液两相流摆动特性双欧拉l阿模型中图分类号：0359文献标识码：A鼓泡塔是一种气液两相流反应器，气体从塔底部喷入，形成分散的气泡群，气泡群在液体中上升，同时带动液体向上运动，气泡羽流

3、两侧会产生向下的液体流动，流动现象复杂多变，已有大量关于此类流动问题的文献发表[1。5】，其中矩形反应器内气泡群流动一直是实验和数值模拟研究的热点，但是由于流动特性与反应器结构及操作方式有很大的关系，此类反应器的设计和放大仍然是一个问题。与传统的实验方法相比，数值模拟具有耗费小、可重复等优点，能够预测实验难以测量的局部流场细节。目前气液两相流模拟主要有欧拉一拉格朗日澍6吲和欧拉．欧拉法‘9。141(双欧拉法)两种方法，欧拉．欧拉法的计算不受气含率的限制，计算资源相对低【141。利用双欧拉舻s模型进行三维模拟可以复现气泡羽流的周期性运动特性[1,11-17]，但对于相间作

4、用力仍存在争议，Sokolichin等[11,12,151认为，阻力对气液两相流的摆动特性影响较大，虚拟质量力对模拟结果的影响不明显；Mudde掣14】报道，为了准确模拟气泡羽流的振荡周期和速度场，还应考虑虚拟质量力与阻力；并且，不同的学者采用了不同的阻力模型。本研究采用计算流体力学(ANSYSl4．0中CFX5)软件，采用欧拉．欧拉法结合标准K-8紊流模型，基于EnriqueJulifi等[18]的实验结果，对鼓泡塔内气液两相流的摆动特性进行三维数值模拟，考察不同的网格尺寸、时间步长、相间作用力(阻力、升力和虚拟质量力)的影响，选择出适宜的参数和模型以能够较为准确地模

5、拟鼓泡塔内气液两相流的摆动特性，以期为提高鼓泡塔反应器混合效率提供依据。1反应器结构及模型基于EnriqueJulifi的实验结果[181，建立图1所示反应器计算模型，其中鼓泡塔宽度瞅沿x方向)为264mm、厚度B(沿z方向)为31nllTl、高度H(沿y方向)为792mlTl，坐标原点位于模型底部收稿日期：2016．12—14；修订日期：2017—01．28。作者简介：马霞(1976一)，女，高级工程师。E-mail：maxia@xaut．edu．cn。基金项目：国家自然科学基金项目(31500340)：环境工程国家重点学科培育学科项目(106-5X1204)。74化

6、学反应工程与工艺2017年2月中心点；底部居中的曝气区域为矩形区域，宽度47．52mlTl。模拟中流体介质为水和空气，水的运动黏滞系数为10～m2／s，密度为998．2kedm3，气相为空气，其密度为1．225kg／m3。计算模型采用结构化网格划分，采用了三种网格尺寸：粗网格23(聊x5(B)x44(H)、中网格42(叻x8(B)x79(H)、细网格82(聊x14(B)x160(／4)。2数学模型采用三维欧拉多相流模型模拟矩形装置内多孔平板喷射器产生的气泡群在水中的动态行为。液体考虑成连续相，l矽声＼×图1计算模型Fig．1Bubblecolumngeometrymod

7、el气体认为是由圆球气泡组成的分散相，不考虑气泡的破碎和聚并以及相间的质量传递。紊流模型：液相采用Ⅳ．s模型，气相采用分散相零方程模型。流体被认为是不可压缩的且等温的。(1)在欧拉坐标系下基于雷诺平均的质量守恒方程：兰(成咏)+里·(Pkakz女)=0k=1，2(1)式中：k=l，代表液相；k=2，代表气相；鲰为各相的体积分数(6cl为液相的体积分数；6c2为气相的体积分数)；m为各相的密度；v女为各相速度矢量。(2)基于雷诺平均的动量方程：昙(反6kv∥里·(pk出)=--OrkV_pPkak一十里{．一V_vvI+(立女’卜FPkak