鼓泡塔气液两相及气液固三相流实验研究及数值模拟

摘要

鼓泡塔反应器具有传质效率高、耗能较低、结构简单等显著优点，广泛应用于石油化工、生物化工等众多领域。而迄今为止，人们对于鼓泡塔内流场的认识仍然有限，而计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）的快速发展，为鼓泡塔内流场的研究提供了一种新的途径。
　　本文应用欧拉-欧拉模型，在ANSYS-Fluent软件平台，对鼓泡塔中气液两相和气液固三相流动进行了模拟计算。为节省计算时间，采用全塔径均匀进气的简化方案，减少了75％~80%的网格数，大大减轻了计算量。同时，比较了单一气泡尺寸模型和群体平衡模型（Population Balance Model，PBM）在此简化条件下的适用性，发现单一气泡尺寸模型不能准确预测塔内流动情况。而PBM模型所得的气含率径向分布与实验值吻合较好。在PBM模型的计算中，发现原用于颗粒聚并计算的Abrahamson模型，在合适的Hamaker数下，也可用于气泡聚并的计算。
　　为了解决出口边界处液相逸出和自由区域内有漩涡形成的问题，本文采用了新的边界条件，对原有的出口边界中气相和液相速度进行了修正，改进后的边界条件可以使液面处的流场更加均匀稳定，计算更容易收敛。在此状态下，使用Schiller-Naumann、Grace和Tomiyama三种曳力模型分别进行气液两相流模拟。将模拟值与实验值比较后，发现使用Tomiyama曳力模型所得模拟值与实验值符合程度较高。
　　开展实验研究了气液固三相流体中的相含率分布规律。设计并搭建了高1.5 m的鼓泡塔和取样测量装置，在0.01354 m/s和0.01805 m/s两表观气速下，测量了5个轴向高度上气固含率分布，并对结果做误差分析。
　　在气液固三相流动的计算中，以搭建实验装置为几何模型，在此前的气液两相模型设定中加入固相进行非稳态模拟，发现气含率分布与实验值可信范围较符合，再次验证了选用的气液间模型合理性。固含率模拟值趋势与实验结果相符，但数值偏大，这可能是因固液密度差较大，导致固相测量值偏小。

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第一章 文献综述

1.1鼓泡塔内流动行为概述

1.2 CFD数值模拟概述

1.3局部相含率测量技术

1.4本文的研究内容

第二章 数值模拟方法

2.1多相流模型

2.2边界条件

2.3相间作用力模型

2.4气泡尺寸模型

2.5本章小结

第三章 鼓泡塔气液两相流模拟

3.1鼓泡塔模拟设定

3.2不同边界条件的影响

3.3不同气泡尺寸模型的影响

3.4不同曳力模型的影响

3.5本章小结

第四章 鼓泡塔三相流测量实验及数值模拟

4.1鼓泡塔三相相含率测定实验

4.2鼓泡塔三相流动数值模拟

4.3本章小结

第五章 全文总结与展望

5.1全文总结

5.2展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

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