CFD在自吸反应器气液流动和传质特性研究中的应用

针对配置气体分布器的六叶轮自吸反应器建立了欧拉气液两相流三维瞬态模型,耦合Higbie气液传质模型,采用CFX软件对其气液混合过程的流场、气含率、吸气速率及溶氧传递过程进行数值模拟,获得了反应器的流动特性、气液分散性能、吸气特性及气液传质特性.分析了反应器内水平及竖直位置上的流型特征及溶氧传递性能,结合实验数据及经验关联式对比分析了对气含率及吸气速率的预测作用.结果表明,六叶轮转子及其配置的气体分布器可以获得较均匀的气液混合,气含率及吸气速率的预测与实验值偏差分别为5.2% 和17.6%,模拟发现在反应器底部近壁处溶氧及混合效果不佳.     

自吸式反应器吸气性能的研究与数值分析

为增进对自吸式反应器中流动、传递和吸气过程机理的认识,设计并制作了自吸式反应器实验装置,进行空气-水体系的冷模实验。在稳定状态下,叶轮旋转产生的推动力和气体进入过程的阻力压降保持平衡,吸气速率与气液两侧的压力损失直接相关,由此建立吸气速率数学模型。研究表明,数学模型计算值与实验值平均相对偏差为6%,此模型可作为自吸式反应器设计和放大的依据。     

气体自吸式反应器的研究进展

自吸式反应器在工业上越来越受到广泛的应用,对其进行深入的研究对反应器的设计和放大具有重要的意义.本文比较了自吸式反应器与传统反应器操作特性;根据进出叶轮流体的不同,对自吸式叶轮进行了分类,分别介绍了其基本原理;阐述了自吸式反应器的操作特性,流体力学和传质性能的研究进展,包括临界转速,吸气速率、功率消耗,气含率,气液传质系数等;对自吸式反应器研究的发展前景进行了展望.键词:自吸式反应器;流体力学;操作特性;传质性能     

鼓泡床反应器流动特性的CFD研究进展

从计算模型和影响因素2个方面系统综述了鼓泡床反应器内气液两相流CFD的研究进展。介绍了与模型建立相关的多相流模型、湍流模型、相间作用力和气泡尺寸模型的选择和适用情况。总结了表观气速、液相性质、反应器尺寸、分布器和内构件等对反应器流动特性的影响。最后指出了目前存在的不足,并对其发展进行了展望。     

自吸式反应器气液传质实验研究和CFD模拟

对一种自吸式反应器的气液分散性能进行了实验研究,并采用计算流体力学(CFD)ANSYS CFX中对自吸式反应器在600,800,1 000,1 200 r/min 4种转速条件下气液二相流的流场、局部气含率及整体气含率进行了数值模拟,并采用Higbie溶质渗透模型模拟研究了反应器的容积传质系数。研究结果表明:气液二相流场与高速摄像机拍摄的结果相同,成对称分布;自吸式反应器的局部气含率分布均匀,上下分布良好,整体气含率的模拟结果与实验结果一致,实验值和模拟值误差为5.1%;局部容积传质系数分布良好,气体出口附近较好,容积传质系数模拟值与实验值变化趋势一致。     

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.     

新型气升式环流反应器流场数值模拟

利用CFD软件ANSYS 14.0及欧拉-欧拉多相流模型,模拟了一种采用微孔曝气器的新型气升式环流反应器的气液两相流动,得到反应器内气含率和循环液速等参数的详细分布。模拟结果表明：新型气升式环流反应器的平均气含率与气量成正比关系;气量为2.5 m3/h时具有更高的循环液速。     

CFD在气升式环流反应器结构优化上的应用

利用CFD软件ANSYS 14.0及欧拉-欧拉多相流模型,模拟不同高径比、环隙比下气升式环流反应器的气液两相流动,得到反应器内循环液速和气含率等参数的详细分布。对比模拟结果表明,高径比为7,环隙比1时,反应器具有最优流化状态。CFD在气升式环流反应器的结构优化具有明显的指导意义。     

圆盘反应器流场数值模拟

以圆盘反应器的开发和应用为背景,根据反应器内气液两相的流动特点和接触方式,采用流体体积函数(VOF)模型研究圆盘表面液膜厚度、速度分布和槽内液相流型,得到反应器的流场特性。从轴功率、持液量两方面对反应器性能进行研究,并考察了流场和性能的关系。结果表明,圆盘表面液膜分为起始区、加速区和匀速区。起始区液膜厚,速度慢,部分液体回流;加速区液膜变薄,加速,表面更新快;匀速区膜厚和速度变化较小。液相主体以Stewartson流型为主,盘间距对液相流型影响明显。圆盘液膜与槽内液相通过"垂直涡"进行物质传递,当圆盘间距与圆盘直径之比(L/D)为0.2~0.4时,最有利于两者混合和物质传递。将数值模拟和量纲分析结合,得到功率数(NP)和平均膜厚表达式,并与文献进行比较,表明计算流体力学(CFD)方法能够较好的模拟圆盘反应器内流体力学特性,预测流场和性能。     

气升式环流反应器实验及三维模拟

利用Fluent软件对气升式环流反应器进行三雏全尺寸的数值模拟,采用欧拉多相流模型和标准k-ε模型模拟反应器内气液两相流动,得到了反应器内流场的详细分布.在此基础上还结合FLOW 3D软件模拟物理流动现象,得到了直观的真实清晰动画,而传统的实验很难测得相关具体的数据.两种数值模拟结果与文献实验值吻合较好,说明了数值模拟的可靠性.     

基于流场-电场耦合的典型流型条件下双环形电极响应特性仿真研究

针对管道内气液两相流动过程中出现的不同流型,建立了耦合两相流流场与双环形电极电场的仿真模型,模拟了分层流、波浪流、段塞流、泡状流和环状流5种典型流型,获得了典型流型条件下双环形电极间轴向电流密度空间分布特性和混合电导率动态变化特性,结合理论模型和仿真数据讨论了气液两相混合电导率与液相含率之间的定量关系。研究结果表明:双环形电极之间轴向电流密度的空间分布能够刻画气液两相流的流型特征;当利用无量纲电导率计算平均液相含率时,BegovichWatson模型适用于分层流、波浪流和环状流,而Maxwell模型适用于泡状流。     

非中心入射流旋转圆盘水跃现象的实验与模拟

针对非中心入射流旋转圆盘,设计了利用高速摄像系统记录液膜流动的旋转圆盘装置,对圆盘表面的流体流动现象进行了研究。利用VOF（Volume of Fluid）多相流模型,建立了非中心入射流旋转圆盘进口区域气液两相流模型,并与实验测量结果进行对比,模拟值与实验值的平均相对误差为9%,证明了CFD模型的准确性。随后通过CFD方法分别研究了进口流量和圆盘旋转速度对非中心入射流旋转圆盘进口区域水跃现象的影响,结果表明在进口旋转方向前方,进口流量越大,圆盘旋转速度越小,水跃半径越大,水跃现象越明显;在进口旋转方向后方,进口流量越大,水跃半径越大,而随着圆盘旋转速度的增加,水跃半径先增大后减小。对进口旋转方向后方的水跃半径与进口流量和旋转速度的关系进行拟合,得到相关经验关联式,拟合值与模拟值的误差范围在15%以内。     

微小通道内气液两相流数值模拟

基于CFD流体动力学计算软件FLUENT模拟了微小通道中气液两相流流动与换热,分析了截面方管与截面圆管内不同含气率下两相流的换热特性;对比微小通道内气液两相流的温度及含气率变化,分析得出同等条件下方管的换热特性更好。     

基于OpenFOAM模拟精馏塔板的气液流动

本研究对筛孔型精馏塔板上的空气-水两相流进行了模拟，模拟方法采用基于开源软件平台OpenFOAM的双流体模型框架。模拟体系选用Solari-Bell经典实验体系，研究了不同操作条件下的气液两相流动参数，包括清液层高度、气相速度、液相速度和塔板压降等，模拟结果与实验结果的变化趋势基本一致。基于CFD模拟结果，分析了不同工况下塔内气液两相速度场与气含率分布等流动参数，结果表明本工作可以较好地捕捉塔板上的气液流动特征。进一步地，讨论了应用OpenFOAM模拟精馏塔内气液两相流动的若干影响因素，在此基础上分析了气液错流体系相间曳力对模拟结果的影响，实现了与使用商业软件模拟结果相接近的预测效果，验证了使用OpenFOAM模拟精馏塔体系的可行性。     

用CFD研究气升式内环流生物反应器下降管中的流体力学性质

在对气升式内环流生物反应器内部流动分析基础上,全面考虑反应器下降管中气泡的并聚破碎、气液两相间相互作用和滑移等, 建立了能描述反应器下降管中复杂流动的CFD数学模型. 运用CFX-4.4对模型方程进行求解, 通过求解得到了包括气液两相速度场、局部气含率分布等详尽信息,并就液相流动速度与相应条件下的PIV测试结果进行了比较,主体流动速度的偏差在20%以下,且两者总的变化趋势一致.该模型能较好地预测反应器下降管内的复杂流场.     

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%。     

分布器结构对环流反应器气含率分布的影响

采用κ-ε二方程模型和欧拉多相流模型,对一种单筒单级气升式气液环流反应器内的湍流气液两相流进行了全尺寸的数值模拟研究,考察了采用3种不同气体分布器时反应器内气含率和流速分布的细节.模拟结果表明不同结构的分布器对总体气含率和内筒中的两相速度分布有很大影响,因而对气含率分布和气液两相接触效果有较大影响,从而对反应过程产生影响.单环分布器产生的气液两相接触效果较差,对于反应过程很不利.对于大直径的环流反应器推荐使用多环分布器.计算所得的整体气含率与实测的整体气含率进行了对比,吻合较好.     

双溢流立体传质塔板上液相流场CFD研究

采用计算流体力学方法对直径为2 600 mm的工业规模双溢流立体传质塔板板上气液二相流动进行了模拟研究。计算了不同工况下收缩流和扩张流2种流型的液相流场分布,得到了双溢流塔板收缩流和扩张流2种流型的板上气液二相流场分布规律。通过将清液层高度的CFD结果和经验公式的计算结果进行对比,验证了所建模型的正确性。模拟计算结果表明:边降液管收缩流板面液相流动较均匀,近似于均匀的收缩流,不存在回流区;中降液管扩张流板面液相流动不均匀,靠近塔板中心流速较快,塔板弓形区存在着回流现象;板孔处的帽罩区液层较其他地方小,液相体积分数较其他地方低,扩张流受气相的影响较收缩流大。     

弯曲正方形截面微通道内气液两相流流型研究

以空气-水为工质,在不同曲率比下利用高速摄影仪对正方形截面为0.8mm×0.8mm的弯曲微通道进行了气液两相流流动特性实验研究,获得了典型流型毛细泡状流、弹状流、间歇流和环状流,发现了非典型毛细泡状流和少见的波状分层流,并将实验结果与相关文献进行对比,为合理设计微型换热器和微化工混合器的气液流动分布结构、保证微通道内优异的传热传质特性提供理论指导和技术支撑。     

灰钙循环烟气脱硫反应器气固两相流动数值模拟

灰钙循环烟气脱硫反应器内气固两相流动及流场特性是直接影响装置稳定有效运行的关键因素,采用CFD软件Fluent中k-ε湍流模型对灰钙循环烟气脱硫反应器进行了数值模拟,确定反应器内各段阻力及流场分布。研究结果表明:灰钙循环烟气脱硫反应器的循环物料入口设置是影响反应器内流场分布的重要因素,且进料口前阻力占反应器总阻力大于90%,并对其在20 t/h煤粉工业锅炉配套灰钙循环烟气脱硫装置上进行了实验验证,在各测点测量气速与静压,结果证明模拟结果可靠,进料口前阻力模拟偏差率仅为1.7%。同时采用双进料口对反应器流场进行了优化,模拟结果验证该优化方法确实可行,计算得到良好的流场。