曳力模型对模拟鼓泡塔气含率的影响

引言 鼓泡塔由于其良好的传热、传质特性而被广泛用于化工、生物制药、冶金等领域.近年来,计算流体力学(CFD)越来越多地被应用于研究鼓泡塔内部复杂的流体力学状态.然而,如何合理地描述气液相间作用及湍流模型是CFD模拟能够准确复现鼓泡塔内复杂流动状态的关键和难点.     

鼓泡塔内空气-醋酸体系流体力学参数的CFD-PBM耦合模型数值模拟

通过二维和三维CFD-PBM耦合模型对空气-醋酸体系中流体力学参数进行数值模拟,采用表面张力修正曳力模型与聚并模型,考察了醋酸浓度对鼓泡塔内气含率、气泡大小分布及轴向液速等参数的影响,与差压法、光纤探针和电阻层析成像技术（ERT）测量的实验数据进行了对比,并讨论分析了气含率和气泡直径等流体力学参数的模拟结果。结果表明,醋酸浓度在70%~80%（质量分数）范围内平均气含率存在最大值,且平均气含率的预测值在±10%误差内,三维模拟结果和ERT实验值吻合较好,说明修正后的模型在不同浓度醋酸体系中具有较好的预测性。     

逆流鼓泡塔气含率分布的试验测量与CFD模拟

利用热膜测速仪测得了气液逆流鼓泡塔内不同表观气速、表观液速和径向位置下的气液信号,采用改进的阈值法进行分析,得到塔内气含率的径向分布。结果表明气含率在各个截面上都是从塔中心到塔壁逐渐减小;同时利用计算流体力学方法对气液逆流的鼓泡塔内的气液两相流动进行了模拟,计算了不同气速和不同液速下的气含率,计算结果与试验数据吻合较好。     

二维鼓泡床内气泡尺寸分布的实验与CFD模拟

在有机玻璃制成的二维鼓泡床(0.20m×0.02m×2.00m)内,采用摄像法对空气－自来水的气液两相体系的气泡尺寸分布进行了考察。以商业计算流体力学软件ANSYS CFX 10.0为平台,在双流体模型的基础上,采用k-ε湍流模型和GRACE曳力模型对气液鼓泡床内流体动力学行为进行了多相流CFD数值模拟。结果表明 MUSIG(Multiple Size Group)模型实现了对多气泡体系内气泡尺寸分布特性的考察,气泡尺寸分布的模拟结果与实验结果吻合得较好,从而说明了考虑了气泡聚并破碎的MUSIG模型能很好地反映出鼓泡床内气泡尺寸分布特性。     

基于气泡群相间作用力模型的加压鼓泡塔流体力学模拟

目前,多数文献报道了冷态加压湍动鼓泡塔内流动特征,并且通过实验数据回归相关经验关联式。然而,此类关联式适用范围有限,难以直接外推到工业鼓泡塔反应器条件。因此,在FLUENT平台上建立了基于气泡群相间作用力的、动态二维加压鼓泡塔计算流体力学模型。通过数值模拟考察了操作压力为0.5~2.0 MPa,表观气速为0.20~0.31 m·s~(-1),内径0.3 m鼓泡塔内流场特性参数分布,并且与冷态实验数据进行比较。结果表明,采用修正后的气泡群曳力模型、径向力平衡模型以及壁面润滑力模型描述气泡群相间作用力,能够较为准确地反映平均气含率和气含率径向分布随操作压力和表观气速变化的规律。     

基于气泡群相间作用力模型的加压鼓泡塔流体力学模拟

目前,多数文献报道了冷态加压湍动鼓泡塔内流动特征,并且通过实验数据回归相关经验关联式。然而,此类关联式适用范围有限,难以直接外推到工业鼓泡塔反应器条件。因此,在FLUENT平台上建立了基于气泡群相间作用力的、动态二维加压鼓泡塔计算流体力学模型。通过数值模拟考察了操作压力为0.5~2.0 MPa,表观气速为0.20~0.31 m·s^-1,内径0.3 m鼓泡塔内流场特性参数分布,并且与冷态实验数据进行比较。结果表明,采用修正后的气泡群曳力模型、径向力平衡模型以及壁面润滑力模型描述气泡群相间作用力,能够较为准确地反映平均气含率和气含率径向分布随操作压力和表观气速变化的规律。     

气液鼓泡塔流体力学研究进展

鼓泡塔是化工领域一类重要的气液接触与反应装置,近些年的研究难点集中在计算流体力学(CFD)放大模拟和内构件流体力学两个方面。今从实验技术、流体力学模型、内构件影响三个方面综述了当前鼓泡塔反应器流体力学的研究进展。首先分析了现有的各种流动测试技术的优缺点,随后评述了气液鼓泡塔的多相湍流模型和各种相间作用力本构关系的表述形式,介绍了本课题组近来提出的气泡径向力平衡模型与双尺度能量平衡模型。最后,总结了当前为数不多的有关竖直列管内构件对流动影响的几种不同的实验结果,给出了分析与解释,并对内构件的模型化与模拟工作进行了介绍。     

二维鼓泡床内气液流动特性实验与数值模拟

采用高速摄像法测量了0.20 m×0.02 m×2.00 m拟二维床内气泡尺寸分布和流型等变化规律,结果表明,随着表观气速的增大,鼓泡床内依次呈现均匀鼓泡区、过渡区和湍动区3种形式,以气泡个数概率表示的气泡尺寸分布呈对数正态分布。以计算流体力学软件ANSYS CFX 10.0为平台,采用k-ε湍流模型和GRACE曳力模型对气液鼓泡床内流体动力学行为展开了数值模拟,其结果与实验值比较吻合。研究表明,从多相流理论出发的计算流体力学模拟方法可以用来预报鼓泡床内流型过渡等流体动力学特性。     

计算流体力学在精馏塔研究方面的应用进展

计算流体力学(CFD)已成为研究精馏塔内气液两相流动和传质的重要工具,应用它可得知塔内气液两相微观的流动状况。本文对CFD的发展历史和CFD的通用软件的情况以及CFD在精馏塔研究方面的应用进行了综述。重点介绍了CFD在模拟板式塔塔板上和填料塔内气液两相的流动状况上的应用。     

气液两相流摆动特性实验的数值模拟

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拟考察,液相采用标准κ-ε紊流模型,气相采用分散相零方程模型,分析了网格尺寸、时间步长以及相间作用力对模拟结果的影响,模拟的曝气量为42.5~237 m L/s。结果表明,当相间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%。     

微反应器内入口结构对Taylor气泡形成过程的影响

采用计算流体力学方法,考察了微通道入口结构、气液比及两相混合速度对Taylor气泡形成过程的影响,模拟结果与可视化实验符合良好。与单纯流体体积法相比,水平集法（level set）和流体体积法（volume of fluid）相耦合的方法（coupled level set and volume of fluid method,CLSVOF）可获得更精确的气液界面,且CLSVOF法结果与实验结果更符合。数值模拟结果发现,通道入口结构及气液比对气泡长度、气泡生成频率及气泡体积有很大影响。气液比恒定,不同通道入口结构,两相混合速度对气泡长度有不同影响。     

Model validation for low and high superficial gas velocity bubble column flows

In the present work, gas-liquid flow dynamics in a bubble column are simulated with CFDLib using an Eulerian-Eulerian ensemble-averaging method in a two-dimensional Cartesian system. The two-phase flow simulations are compared to experimental measurements of a rectangular bubble column performed by Mudde et al. [1997. Role of coherent structures on Reynolds stresses in a 2-D bubble column. A.I.Ch.E. Journal 43, 913-926] and a cylindrical bubble column performed by Rampure et al. [2003. Modeling of gas-liquid/gas-liquid-solid flows in bubble columns: experiments and CFD simulations. The Canadian Journal of Chemical Engineering 81, 692-706] for low and high superficial gas velocities, respectively. The objectives are to obtain grid-independent numerical solutions using CFDLib to reconcile unphysical results observed using FLUENT with increasing grid resolutions [Law, D., Battaglia, F., Heindel, T.J., 2006. Numerical simulations of gas-liquid flow dynamics in bubble columns. In: Proceedings of the ASME Fluids Engineering Division, IMECE2006-13544, Chicago, IL], and to validate computational fluid dynamics (CFD) simulations with experimental data to demonstrate the use of numerical simulations as a viable design tool for gas-liquid bubble column flows. Numerical predictions are presented for the local time-averaged liquid velocity and gas fraction at various axial heights as a function of horizontal or radial position. The effects of grid resolution, bubble pressure (BP) model, and drag coefficient models on the numerical predictions are examined. The BP model is hypothesized to account for bubble stability, thus providing physical solutions.     

加温加压下CFD-PBM耦合模型空气-水两相流数值模拟研究

计算流体力学与群体平衡模型（CFD-PBM）结合可有效地模拟鼓泡塔内流体行为,较准确地预测流场、相含率以及局部气泡尺寸分布。以直径100 mm、高1.3 m的加温加压鼓泡塔为模拟对象,在系统压力为1 MPa、表观气速为0.08~0.24 m/s、温度为30~160℃条件下系统地考察了空气-水体系的表观气速、温度以及固含率对平均气含率、大小气泡气含率、气泡直径和气泡尺寸分布等参数的影响。结果表明,平均气含率的模拟结果和实验值在10%的误差范围内吻合较好;温度的变化主要影响了塔内气泡的聚并和破碎,并用聚并破碎的机理解释了温度对其流体行为的影响。     

鼓泡塔出口边界条件的数值模拟

鼓泡塔反应器内流体动力学特性预测对于鼓泡塔的设计和发展具有重要意义。应用CFX4.4商业软件,分别采用"压力"和"开口"出口边界,数值模拟研究出口边界条件对鼓泡塔里气液泡状流动结果的影响。结果表明,当出口应用"开口"边界条件,自由表面是一个动态表面,CFX可以捕捉塔顶部整个自由表面特性。由"压力"出口边界和"开口"出口边界条件求得的数值结果差异很小。     

Study on gas-liquid flow characteristics in stirred tank with dual-impeller based on CFD-PBM coupled model

Study on gas-liquid flow in stirred tank with two combinations of dual-impeller (six-bent-bladed turbine(6BT)+six-inclined-blade down-pumping turbine (6ITD),the six-bent-bladed turbine (6BT)+six-inclined-blade up-pumping turbine (6ITU)) was conducted using computational fluid dynamics (CFD) and popula-tion balance model (PBM) (CFD-PBM) coupled model.The local bubble size was captured by particle image velocimetry (PIV) measurement.The gas holdup,bubble size distribution and gas-liquid interfacial area were explored at different conditions through numerical simulation.The results showed that the 4 mm bubbles accounted for the largest proportion of 33％ at the gas flow rates Q =0.76 m3·h-1 and 22％ at Q =1.52 m3·h-1 for combined impeller of 6BT + 6ITU,while the bubbles of 4.7 mm and 5.5 mm were the largest proportion for 6BT + 6ITD combination,i.e.25％ at Q =0.76 m3·h-1 and 22％ at Q =1.52 m3·h-1,respectively,which indicated that 6BT + 6ITU could reduce bubble size effectively and promote gas dispersion.In addition,the gas holdup around impellers was increased obviously with the speed compared with gas flow rate.So it was concluded that 6ITU impeller could be more conductive to the bubble dispersion with more uniform bubble size,which embodied the advantages of 6BT + 6ITU combination in gas-liquid mixing.     

搅拌反应器内气液两相流的CFD研究进展

搅拌式气液反应器因其操作灵活、适用性强等优点,在过程工业中应用广泛.综述了采用计算流体力学CFD技术对搅拌反应器内气液两相流动行为的数值模拟研究.Euler-Euler双流体模型作为主要方法用于描述气液两相流动,在其基础上耦合相对简单的气泡数密度函数模型或复杂的群体平衡模型,可较为准确地预测搅拌反应器内气泡尺寸和局部气含率及其分布规律.CFD模拟结果可用以分析和评价不同搅拌桨叶、搅拌桨组合和气体分布器的气液分散性能,对气液反应器的结构优化和过程强化提供了有效手段.