加压鼓泡塔反应器中气液两相流CFD数值模拟

对加压气液鼓泡塔反应器内的气液两相流进行了二维数值模拟,模拟的压力为0.5～2.0 MPa,表观气速为0.120～0.312 m/s;模拟采用了Euler-Euler模型,并耦合了气泡群平衡模型（PBM）预测气泡尺寸,该模型考虑了气泡聚并与破碎对气泡的影响。液相湍流采用标准k-ε模型,两相间的作用力只考虑曳力。模拟获得了局部气含率、局部气/液相时均轴向速度及其径向分布等数据,并与实验结果进行比较。结果表明,局部气含率、局部气相速度模拟结果与实验结果吻合较好,局部液相速度径向分布特征模拟结果与文献结果相符。     

基于EMMS方法的鼓泡塔反应器CFD及群平衡模拟

能量最小多尺度（energy-minimization multi-scale,EMMS）方法已经被应用于气液体系中群平衡（population balance model,PBM）模型的改进。EMMS模型可计算气泡破碎聚并过程的能量,进而获得聚并速率的修正因子。应用这一模型对高气速鼓泡塔进行了模拟计算,并进一步对比了均一尺径模型、CFD-PBM模型以及CFD-PBM-EMMS模型的模拟结果与实验数据。结果表明,在高表观气速条件下,基于EMMS方法的群平衡模型可以更加准确地预测鼓泡塔中不同高度的气泡尺径分布和轴向液速,同时提高了对整体气含率和局部气含率的模拟准确性。在表观气速为0.16 m·s^-1和0.25 m·s^-1时,CFD-PBM-EMMS模型对气泡尺径分布的预测精度更高,同时整体气含率模拟的相对误差下降为5%和15%,局部气含率模拟平均相对误差下降为8%和17%。     

气液鼓泡塔的CFD-PBM耦合模拟：离散法与QMOM方法的对比

采用CFD-PBM耦合方法,对高表观气速下的气?液鼓泡塔进行模拟,得到气含率、轴向液速及气泡尺寸。系统性对比求解群平衡方程(PBE)的不同方法：离散法(20 bins)和QMOM(包括四阶QMOM和六阶QMOM)。模拟结果与文献中的实验数据的对比结果表明,离散法和QMOM均能合理预测气含率、轴向液速、平均气泡大小和气泡尺寸分布。但QMOM比离散法节约2~3倍的计算成本。对于QMOM,使用四个矩能准确描述气相的演化。使用四阶QMOM和六阶QMOM得到的结果非常相似。利用QMOM的低阶矩可以快速有效地重构出单峰气泡尺寸分布。     

鼓泡塔反应器气液两相流CFD数值模拟

对圆柱形鼓泡塔反应器内的气液两相流动进行了三维瞬态数值模拟,模拟的表观气速范围为0.02～0.30 m•s^-1; 模拟采用了双流体模型,并耦合了气泡界面密度单方程模型预测气泡尺寸,该模型考虑了气泡聚并与破碎对气泡尺寸的影响。液相湍流采用考虑气相影响的修正k-ε模型,两相间的动量传输仅考虑曳力作用。模拟获得了轴向气/液相速度分布、气含率分布、湍流动能分布以及气泡表面面积密度等,对部分模拟结果与实验值进行了定量比较,结果表明模拟结果与实验结果吻合较好。     

含垂直列管束内构件鼓泡塔的CFD模拟

针对含有密集垂直列管束内构件的气液鼓泡塔,在两相Euler二维轴对称k-ε模型中,分别考虑气相和液相受到的列管阻力。通过引入相应的动量源、湍动源以及耗散源建立带列管内构件的鼓泡塔二维CFD模型。模型能清晰、准确地描述带列管束鼓泡塔中气液流动的特征:"烟囱效应"以及分布器影响区延长。计算得到的气含率以及液速的二维分布在宽泛的表观气速(0.12～0.62 m·s^-1)范围内与实验值相符。     

采用电阻层析成像技术测量气液加压鼓泡塔局部气泡参数

在内径0.3 m,高6.6 m的加压气液鼓泡塔反应器中,采用电阻层析成像技术(ERT)研究了空气-水体系中气泡群平均上升速度、局部气含率及其径向分布。在表观气速0.119~0.312 m s 1,压力0.5~2.0 MPa,考察了表观气速、压力对气泡群上升速度、局部气含率及其径向分布的影响。实验结果表明,鼓泡塔中局部气含率随着表观气速与压力的增大而增大,其径向分布呈现出中心高边壁低的分布特征,但整个截面的分布并非严格对称,在r/R=0~0.3,气含率变化较小,且极大值出现在该范围内;气泡群的局部上升速度随着表观气速的增大而增大,但是随着压力的增大而减小。     

鼓泡塔内部流场分布特性的实验研究

利用CFD技术对鼓泡塔内流场进行模拟,考察了通气速度为0.02、0.05、0.08、0.11m/s时鼓泡塔内流场的特性,并对计算结果进行分析。研究发现:分布器对不同气速的流体分布作用范围相差不是很大,但分布器对高速流体的阻力明显比低速流体的大,对于消除或减弱中心趋势效果较好。气体在上升过程中气含率逐渐向四周扩散,当经过分布器后气体分布整体相对均匀,故分布器的分布作用比较显著。     

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。     

网格和数值格式对TBPBM-CFD模型模拟鼓泡塔的影响

基于气泡动力学属性的现有认识,把气泡分成大、小气泡,首次建立了完整的双气泡相-群平衡模型(TBPBM)以预测气泡尺寸.通过编写用户自定义程序实现了TBPBM模型、Luo破碎模型以及Prince 聚并模型,并耦合TBPBM与CFD双流体模型对直径440 mm鼓泡塔进行数值模拟,详细考察了网格与数值格式对TBPBM-CFD模型模拟结果的影响.结果表明,网格与数值格式对各物理变量的模拟结果影响非常大,特别是网格和体积分数方程对流项离散格式的影响最为显著.随着计算精度的提高,湍流耗散率和整体气含率分布梯度增大,气泡平均直径减少,大气泡所占气相比率降低,液相速度及气含率径向分布与实验值更趋吻合.     

鼓泡塔中离子液体-空气两相流的CFD-PBM耦合模拟

针对咪唑类离子液体介质,采用Euler-Euler双流体模型与群平衡模型（PBM）耦合的方法,引入由实验结果拟合获得的适用于该介质的气液相间曳力系数模型,对内径0.203 m、高2 m的鼓泡塔中离子液体-空气两相流进行计算流体力学模拟,研究了不同表观气速下塔内气液两相速度场分布、气含率和气泡尺寸分布等流体动力学性质。与现有的相间曳力系数模型Schiller-Naumann模型模拟结果对比,采用本文模型得到的气含率与实验值吻合更好,气泡尺寸分布与实验结果一致。     

The Effect of Sparger Geometry on Gas Bubble Flow Behaviors Using Electrical Resistance Tomography

By electrical resistance tomography （ERT） the cross sectional profiles of gas hold-up in a φ56mm bubble column are obtained with four designs of gas sparger. The effect of sparger geometry on the bubble distribution is revealed by applying a sensitivity conjugated gradients reconstruction method （SCG）. Experimental results show that overall hold-up obtained by ERT is generally in good agreement with those measured with the pressure transducer and the ERT system produces informative evidence that the radial profiles of hold-up is very similar to the sparger design in the lower section of bubble column. Meanwhile, the rise velocity of bubble swarm and the Sauter mean bubble size are evaluated using ERT based on dynamic gas disengagement theory. The experimental results are in good agreement with correlations and conventional estimation obtained using pressure transmitter methods.     

鼓泡塔气液两相流不同曳力模型的数值模拟

采用欧拉-欧拉双流体模型对圆柱形鼓泡塔内气液两相流动进行了三维数值模拟. 通过UDF自定义程序对气相出口边界进行了速度修正,解决了模拟中自由区域内有漩涡的问题;分别使用单一气泡尺寸模型和群体平衡模型(PBM)计算气泡尺寸,并比较其对气含率分布的预测结果,分别采用Schiller-Naumann, Grace和Tomiyama曳力系数模型进行模拟. 结果表明,在全塔径均匀进气的简化条件下,单一气泡尺寸模型不适用,在合适的Hamaker数下,PBM模型中原用于颗粒计算的Abrahamson模型可计算气泡聚并速率;Tomiyama曳力模型耦合PBM模型可更好地描述塔内流动情况,并与文献值吻合良好. Schiller-Naumann模型所得平均气含率与实验值相差约40%,而Grace模型所得湍动耗散比Tomiyama的结果高14.5%,气含率分布与文献值相差16.3%.     

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。     

加压大型气液鼓泡床中气含率的实验和关联

对内径0.3 m、高6.6 m的加压鼓泡床中的气含率进行了系统研究，得出了表面张力、粘度、压力等对气含率的影响规律；结果表明，在实验范围内，鼓泡床中的气含率随表面张力和粘度的升高而降低，随压力的升高而升高；并用气泡聚并的能量理论作了定性的解释. 根据542组实验数据得出了气含率的关联式.     

Simulation of Liquid Velocity Field in a Gas-Liquid Bubble Column

A simplified turbulent model and a modified k-Σ two equation model are proposed todescribe the liquid velocity profiles in a bubble column taking into consideration of the effect of gasdrag force and gas hold-up.In the simplified mode1 the Reynolds equation of motion was adoptedand the turbulent viscosity was calculated from an empirical correlation which was deduced fromour experimental data.The calculated liquid velocity profiles were compared between the proposedmodel and the standard k-Σ two equation model as well as experimental data.The result shows thatthe proposed model simulates and predicts the liquid velocity field most satisfactorily and in goodagreement with the experimental measurement.     

Possibilities and Limits of Application of Electrical Resistance Tomography in Hydrodynamics of Bubble Columns

Knowing the hydrodynamic regime in which is working a bubble column is of great importance because the regime affects strongly the mass transfer between the phases. To this end, we examine the potentialities of an Electrical Resistance Tomography (ERT) device. We analyse cross correlation of electrode pair measurements, of neighbouring pixels and power spectra of averaged pixels within a single plane as well as cross correlations of averaged pixels between two planes, without finding a clear signature of the churn turbulent flow. Variable gas flow rate inputs are used to determine the time resolution of the ERT.     

规整填料塔内液相返混的CFD模拟

通过对规整填料塔内部结构的分析,认为其内部存在三种基本结构单元：同一盘填料内的交叉单元、上下两盘填料旋转90度的衔接单元和填料与塔壁的衔接单元。使用RNG k—ε湍流模型对不同的结构单元进行三维CFD模拟计算,发现不同的结构单元具有不同的流动特性。同时．使用示踪激励响应技术,研究了不同结构单元的轴向返混情况。