自由降膜传热传质数值模拟技术应用进展

自由降膜过程在许多工业领域，特别是在石油化工工业中有着非常广泛的应用。近年来，随着计算机技术的发展，研究人员采用理论分析、数值模拟和实验相结合的技术手段，对降膜传热传质过程进行了深入的研究，为优化降膜传热传质过程和新型设备的开发提供了理论基础。     

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。     

流动液膜的数值模拟研究综述

液膜流动现象广泛存在于自然界中,作为一种高效传热传质技术,其在化工等领域有着广泛的应用。近几年来,国内外学者越来越热衷于运用数值模拟技术来研究液膜的流动特性及传热传质特性。本文归纳分析了数值模拟研究中液膜自由液面的追踪方法。总结了不同壁面结构、不同壁面倾角、液体物性、液相流量与气相流速4个方面对液膜的流动特性的影响规律,以及改变壁面倾角、入口雷诺数、入口添加扰动时表面波呈现的波动特性。此外,还论述了流动液膜的传热传质特性的研究现状。所得结论对流动液膜的数值模拟研究具有一定的参考价值,最后提出了用数值模拟方法研究液膜流动的缺陷与不足,展望了更加科学合理地研究流动液膜的方法。     

浸没板式膜生物反应器中流体运动的数值模拟

利用计算流体动力学（CFD）技术,以浸没板式膜生物反应器（MBR）中曝气槽内的流体为研究对象,将固相和液相视作“假想的均-混合相”,将气、液、固三相流简化为“气-液两相流”问题。选用FLUENT软件中的多项流Eulerian模型,对曝气槽的内部流场的流态进行了模拟分析。结果得到包括气液两相多个截面的速度场及局部气含率分布等信息。模拟结果显示浸没板式MBR具有较好的水力条件,在一定的曝气强度条件下,在获得较大的升流区上升流速的同时,也获得了较大的膜面剪切力;一定的曝气条件会在曝气槽中产生固定的影响微生物生长的缺氧区,通过改变曝气强度可以解决这一问题。以上模拟结果能够合理解释实际工况中存在的膜污染等现象,证明了CFD技术在膜生物反应器中应用的可行性。数值求解结果可以为MBR的实际工程设计提供理论依据。     

自由降膜传热传质数值模拟技术研究进展

自由降膜过程在许多工业领域,特别是在石油化工工业中有着非常广泛的应用。近年来,随着计算机技术的发展,采用理论分析、数值模拟和实验相结合的技术手段,对降膜传热传质过程进行了深入的研究,为优化降膜传热传质过程和新型设备的开发提供了理论基础。     

规整填料表面液膜流动特性的数值模拟

精馏过程气液两相流运动分布特征对分离效率具有重要影响。为研究规整填料表面液膜流体动力学特性建立了基于VOF方法的CFD分析模型,并基于文献试验结果进行了验证。对液膜随时间和空间的演化分布特征、速度场分布和液相流量影响进行了模拟分析。液膜在波纹顶部下沿聚集形成凸起状波峰,在波纹底部波峰消失,而到达下节波纹上沿时,波峰重新形成;瞬态液膜厚度随时间波动,且沿填料表面液膜平均厚度先减小后保持稳定;发现液相聚集及形成液滴坠落容易导致出现干板区。不同位置液膜速度分布存在明显差异,沿填料表面液膜平均速度先增后减或保持稳定;液膜绕过波纹顶部时会加速,在波纹底部和上沿处会减速。液相流量增大,液膜平均厚度和速度均有所增大。     

二元混合物降膜蒸发的数值模拟

提出了二元混合物在垂直圆管中降膜蒸发的传热传质耦合数学模型及其相应的数值解法 .模型考虑了液膜内传质对传热的影响 .计算表明传质对传热有明显影响 ,忽略传质的影响对预测膜平均传热系数会带来较大误差 .     

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。     

一种新型受热面传热和流动特性的数值模拟及实验研究

针对余热利用过程中低温热源的含尘量高、不连续及不稳定等特点, 提出了一种新型菱形受热面结构。在传热过程中, 该受热面表现出管束叉排布置的特征, 传热过能力较强, 流动阻力较大, 壳侧对流换热表面传热系数较高。在实施吹灰过程中, 该受热面呈现出管束顺排布置的特征, 易清洗, 吹灰效率高。采用数值模拟和实验方法研究了新型受热面结构的传热和流动特性, 给出了壳侧的Nusselt数和摩擦因子随Reynolds数的变化规律。实验结果和数值分析均表明, 该受热面能够适应现有余热利用过程的基本要求, 在便于清灰和除垢的同时实现高效传热。     

超重力旋转填充床氧解吸过程的数值模拟

基于旋转填充床流体流动的可视化结果,建立了超重力旋转填充床气液传质过程的数学模型,模拟氮气解吸水中溶解氧的传质过程。模拟结果表明,缩短液相停留时间、提高液相扩散系数都能增大液相传质分系数k_L;总体积传质系数K_La随超重力因子的增加而增大、随温度的上升而增大、随气相流率的增加略有下降、随液相流率的增加明显增大;空腔区传质贡献率随空腔区的增大而增大,随超重力因子的增大而减小;且短暂的停留时间是超重力旋转填充床对传质过程强化的本质原因。模型较好地符合文献的实验数据,误差在±16%以内。     

一次表面换热器瞬态响应特性的数值模拟

根据一次表面热交换器（PSHE）的结构和流动特点，利用能量守恒定律，导出它的瞬态温度变化物理模型和数学方程式.研究工作流体温度和流量发生阶跃变化时PSHE出口温度的响应特性，分析指出一次表面换热器板片各几何参数以及通道形状对其温度响应特性的影响次序是：板片厚度δ最强，宽度W和数目n次之，波纹通道形状最弱.比较研究表明，由于PSHE的固体壁面时间常数远小于板翅式和管壳式换热器，因此这种轻质结构换热器的响应特性明显优于常规热交换器，非常适用于那些要求工况经常变动、能够提供的场地和空间又十分有限的化工联合装置.     

微柱结构表面核态沸腾单气泡的数值模拟

利用计算流体力学方法（computational fluid dynamics, CFD）对三维均匀微柱结构表面单气泡核态沸腾过程进行数值模拟研究,使用VOF模型（volume of fluid model, VOF）在界面网格追踪加密的条件下精确捕捉气液界面,同时考虑气液界面和微层处的蒸发,准确获得三维微柱表面单气泡核态沸腾过程中的气泡动力学、温度演化和蒸发换热性能。结果表明,气泡脱离时间为1.79ms,体现了微柱结构促进气泡脱离的强化作用。通过气泡横向和纵向直径的变化准确表征了气泡在脱离过程中的变形过程,并模拟得到该过程流场热边界层及壁面温度的演变规律。同时,通过微层蒸发和气液交界面蒸发功率随时间变化的监测,指出气泡生长过程微层蒸发量占总蒸发量的52%;t=0.95ms后微层蒸发消失,气液界面蒸发维持相对稳定值（0.1~0.2W）直至气泡脱离。蒸发换热特性耦合气泡与壁面接触情况随时间的变化,揭示了单气泡核态沸腾过程蒸发换热机理的阶段性特征及时间分区,为在核态沸腾单个气泡生长脱离过程中更准确划分时间阶段、建立沸腾换热模型奠定基础,提供了参考。     

蜂窝状水凝胶吸附床传热传质特性数值模拟及验证

对PAM-LiCl水凝胶复合吸附剂进行了吸附特性实验研究,基于D-A方程拟合其特性曲线,建立了该凝胶蜂窝吸附床的三维数学模型,用COMSOL软件完成了吸附床干燥/湿润工况下的动态吸/脱附过程模拟,结合实验完成该数学模型的验证,最终实现吸附床结构的优化。研究表明,蜂窝结构大幅提升了吸附床的吸/脱附性能。吸附速率与蜂窝传质通道的孔隙度呈正相关;总吸水量先增大后减小,当孔隙度为20%时,总吸水量最大。吸附床的吸附量随吸附床厚度的增大而降低。当空气流速低于3.6 m/s时,提高空气流速能显著增强吸附床的吸附性能。蜂窝吸附床解吸性能良好,在60℃ & RH10%的热空气中可实现完全解吸。     

A review on computational fluid dynamic simulation for rotating packed beds

A rotating packed bed (RPB) is one of the cutting-edge process intensification technologies due to its high mass transfer and mixing efficiency. Nevertheless, owing to the complex structure and hydrodynamic characteristics of RPBs, valuable data inside the reactor is hard to obtain by conventional experimental methods. Computational fluid dynamics (CFD) owing to its unique advantages of low cost, completeness of data and ability to simulate real and ideal conditions, has been adopted by many researchers to carry out fundamental research and practical application of RPBs in recent years. This paper therefore elaborates on the research progress on CFD simulation of RPBs. The building of a physical model of these reactors as well as selection of mathematical models are described, then applicability and accuracy of these models are compared and discussed. Simulation results for gas and multiphase flow in reactors are also presented. Additionally, the application of CFD to mixing and mass transfer between phases and processes in rotating packed beds is introduced. Optimum designs of reactors by the CFD method are also described. Finally, problems remaining with CFD simulation of rotating packed beds and future development directions are discussed. © 2018 Society of Chemical Industry     

碟片式离心机内流动的数值模拟

碟片式离心机内的流场难以直接测量,采用计算流体力学（CFD）技术可以更加直观地展现碟片式离心机内部流场特征。本文以DRS 230\4-00-99型碟片式离心机为研究对象,基于N-S方程和标准k-ε两方程湍流模型,利用Fluent流体动力学分析软件模拟了碟片间隙的内部流场。结果表明,模拟得出的速度分布和压力分布符合碟片式离心机的内部理论基本规律。液体在碟片间隙内存在旋转滞后现象,但由于碟片间隙较小,液体旋转滞后较小。说明碟片间隙小,不仅可以减小颗粒的沉降距离,有利于提高分离效率,同时还能减小液体滞后。模拟同时发现,等距离碟片间隙中液体流量及压力降呈现不均匀分布,离入口位置越近,碟片间隙中液体流量及压力降越大,在前三层尤为明显。这些发现为碟片式离心机两相分离的模拟研究提供了参考依据,对优化碟片式离心机的结构设计具有重要的指导意义。