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.     

微裂缝内液固两相流动特性研究

应用欧拉-拉格朗日模型,对微裂缝中液-固两相流动过程进行数值模拟。在数学模型中,液相采用连续相模型,颗粒当做离散分散在连续相中,并考虑了相间耦合作用。对于物理模型,建立了二维直微裂缝模型,研究裂缝的液相粘度、液相速度和颗粒密度等因素对裂缝中两相流动的影响。模拟得到了微通道内颗粒瞬时分布状态、颗粒运动轨迹、颗粒停留时间、颗粒轴向速度分布、液相轴向速度分布等参数的变化规律,定性的揭示了储层裂缝内液固两相流动过程。     

不同推进式桨叶对搅拌反应器内气液两相混合特性的影响

为了研究不同推进式桨叶对搅拌反应器内气液两相混合特性的影响,以某搅拌反应器的推进式桨叶为研究对象,将搅拌聚合物简化为含5%气体的清水介质,基于螺旋桨叶片设计方法和CFD流场仿真技术,采用VOF多相流模型和RNG k-ε 湍流模型,对四种推进式桨叶内部气液两相流动进行数值分析,实现了推进式桨叶参数设计和性能优化。分析设计转速在400 r/min时的径向速度、0~18 s的时间范围内气体体积分数的变化、无量纲气体体积分数以及无量纲轴向速度,来评价四种推进式搅拌反应器搅拌性能的剪切、混合、分散。研究结果表明：变螺旋角(FDC-450-γ)非对称桨叶的流动更均匀、混合速率更快和剪切分散能力能强。通过对四种不同推进式桨叶的比较分析,为后续的研究和工程实践奠定了基础。     

搅拌生物反应器混合特性的数值模拟与实验研究

以工程流体计算软件CFX-4.4为工具,对不同规模的机械搅拌生物反应器的混合特性进行数值模拟,研究了不同操作条件下反应器混合时间的变化规律. 采用pH电极在位监测[H+]的方法实验测定混合时间. 模拟结果与实验测定值之间的误差随反应器容积增大而逐渐减小,对容积为25 m3的反应器误差小于11.6%.     

生物搅拌反应器内混合情况的CFD模拟及在发酵中的应用

用计算流体力学(CFD)方法模拟了50 L生物反应器中不同的,搅拌桨组合对搅拌流场、混合时间的影响,并从流体力学角度对生物反应器搅拌桨组合进行了优化.将模拟优化结果用于重组大肠杆菌发酵过程,结果表明,优化后的搅拌桨组合可以改善发酵罐内部的流场和气体分布,能够明显降低获得相同溶氧所需的转速和最大通气量,而菌体生物量和产酶水平也略有提高.     

下行床气固两相流动计算流体力学模拟

基于颗粒相动力学理论 ,对层流机制表达的气固两相流体力学模型采用Reynolds平均的方法获得气固两相流的湍流模型描述 .其中 ,气相湍流行为以k -ε模型描述 ;颗粒相的碰撞行为以颗粒流的动力学模型表达 ;而湍流行为以kp 模型描述 .因此建立的k -ε -Θ -kp 模型综合考虑了气相和颗粒相的湍流运动以及颗粒的碰撞行为 .依据此模型建立了三维流体力学求解程序并对下行床气固两相流动行为进行了模型预测 .讨论了恢复系数的选取及壁效应假设 ,从机理上分析并考察了 3种模型的预测能力 .针对内径 1 40mm、高 7m的下行床冷态设备 ,在较宽的操作范围内 ,对比了详细的颗粒浓度和速度径向分布以及轴向参数分布 ,并对下行床的放大行为进行了预测 .     

环己烯水合过程汽-液两相流动的CFD研究

环己烯直接水合是制备环己醇的一种新工艺,本文利用体积率函数法（VOF法）建立了环己烯水合流动过程的数学模型,考虑了汽-液相间摩擦力动量源项、表面张力动量源项和多孔介质动量源项,定量描述了汽-液两相逆流流动过程。根据计算流体力学（CFD）模型模拟了黏度、表面张力和流动阻力对流动的影响,结果表明黏度和表面张力影响液膜厚度和液面波动程度,进而影响传质;流动阻力过大会导致液膜断裂,不利于传质。     

用CFD研究搅拌槽内的混合过程

在CFX软件的基础上开发了用于混合过程计算的程序,并在流动场计算的基础上对单层涡轮桨搅拌槽内的混合过程进行了初步的数值研究.对速度场和浓度场联立求解与单独求解两种处理方法分别进行了计算,计算得到的浓度响应曲线与文献数据趋势一致,两种方法计算的混合时间变化规律一致,联立求解计算得到的混合时间略小于单独求解,但是联立求解的计算量非常大.计算结果表明：混合过程与计算采用的流动场密切相关;混合时间大小不仅与监测点位置有关,还与加料位置有关,在搅拌桨附近加料混合时间最小,在槽底部加料混合时间最大.     

毛细管内气液两相流动的CFD模拟

毛细管精馏是一种分离共沸物系的新型分离技术,它利用毛细管的固-液相互作用来改变液体混合物的汽液平衡。毛细管通道内的气液两相流型在低气速时以泰勒流为主,今使用计算流体力学方法,对毛细管内泰勒流的多种影响因素,如:壁面作用、气液速率以及流体物性等进行了研究。首先考察壁面作用的影响,发现壁面粗糙度能改变气液柱形状和流场,粗糙度增大使通道内气液两相流型由泰勒流向泡状流转变,流动状态由层流向涡流转变。模拟不同接触角下的气液流动,发现壁面吸附作用在一定程度上影响气液柱长度和气液界面间的形状。通过模拟不同气液速率下的气液流动,观察气液柱长度与气液速率之间的关系。对模拟气液柱长度进行量纲分析,得到了泰勒流的气液柱长度的关联式,将该式与文献测定值进行比较,发现在一定范围内吻合较好。     

涡轮桨直径对锥盘底搅拌槽固液混合特性影响

利用CFD技术对锥盘底搅拌槽内的固液两相流混合浓度场进行数值模拟研究,考察了45°圆盘涡轮式搅拌桨直径d对固液混合时间数,单位体积混合能,浓度标准差,湍动能和湍动耗散率,和固相离底悬浮临界转速的影响。研究表明:随着搅拌桨直径的增大,搅拌槽内的流体由轴向流转变为径向流的流型转变高度逐渐减小。桨径比d/D大于0.3时,混合时间数显著减小;d/D小于0.4时,单位体积混合能较小;d/D达到1/3时,单位体积混合能最小。浓度标准差随搅拌桨直径的变化波动较小。d/D小于0.4时,湍动耗散率的增长率较低;d/D大于0.3时,固相离底悬浮临界转速显著减小。从提高混合效率和降低能耗的综合角度考虑,桨径比d/D应控制在0.3—0.4之间。     

LDV和CFD在流体混合中的应用进展

采用激光多普勒测速仪LDV (LaserDopplerVelocimetry)测试技术和计算流体力学CFD (ComputationalFluidDynamics)方法 ,可获取搅拌槽中的速度场、浓度场等。从更微观的角度研究混合 ,对于混合设备的优化设计、放大和混合的基础理论研究具有重要意义。综述了此领域的进展情况     

液固分选流化床三相流场模拟中各粘性流动模型的适用性

为确定适于液固分选流化床(LSFBS)流场模拟的粘性流动模型,分别选用多个粘性流动模型模拟了粗煤泥颗粒在LSFBS内的分选过程,结合相关粘性流动模型附加输运方程特点,讨论了LSFBS流场特定区域内湍流的各向异性和旋度、应变速率梯度分布等对Lam模型和涡粘模型准确度的影响. 结果表明,各模型模拟所得不同密度级组分在重产物中的分配率存在较大差异,其中雷诺应力模型(RSM)模拟结果误差最小,与实验结果的均方根误差为2.21,预测准确度较高;层流(Lam)模型模拟结果误差最大,均方根误差为5.96;涡粘模型中误差最小的为RNG k-e模型,均方根误差为2.46;各粘性流动模型模拟结果准确度为RSM>RNG k-e>SST k-w>标准k-e>标准k-w>S-A>Lam.     

低高径比气升式环流反应器数值模拟分析

气升式反应器因其结构简单，有良好的混合传热性能，便于操作等优点已广泛用于化工、生物化工等行业。利用商用计算流体力学软件Fluent，利用Euler—Euler双流体模型，重点针对好氧反应的特点，对一种具有低高径比（H/D=1．67）的环流气升式反应器内的气液两相流动及混合性能进行研究，描述出反应器内气含率和环流液速等参数的详细分布，分析模拟结果，气液速度分布和气含率分布等与实际情况基本吻合，从而证实了计算结果的有效性，为工业实际应用提供一定参考。     

射流混合器内气体湍流扩散过程的CFD数值模拟与实验研究

利用计算流体动力学CFD(Computational Fluid Dynamics)商业软件CFX4.4对二氧化碳与空气的射流混合过程进行数值模拟. 湍流模型采用标准k-e模型和RNG模型,模拟预测不同断面上的CO2浓度分布,并与实验结果进行比较. 结果表明,模拟预测值与实验结果基本吻合,也验证了CFD技术应用于混合扩散过程预测分析的可靠性;靠近空气一侧的CO2浓度普遍高于另一侧,当CO2平均浓度为6%时,距射流出口100 mm剖面上的浓度极差达到6%. 本研究中的气体混合湍流模型影响不明显. 采用标准k-e模型分别对两种进气方式的射流混合器内部速度场、浓度场进行模拟分析,发现T型射流混合器的混合均匀性比单边进气的射流混合器明显提高.     

CFD技术在膜过滤过程中的应用

计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)模拟应用于膜过滤过程是近年新发展起来的一种膜过滤研究方法.综述了CFD模拟在膜过滤过程中的应用,从膜组件过滤特性和反应容器水力特性2个角度概述了CFD模拟膜内部浓差极化、质量传递系数等流态特性,膜面压力、渗透速率等流体特性参数,膜组件优化和反应器内流场分布,为膜过滤过程的评价提供了理论依据,对于实际应用具有极其重要的意义.     

喷旋管道式分解炉内燃烧、分解过程的CFD模拟

针对水泥分解炉内煤粉燃烧、生料颗粒分解过程共存的特点,提出了相应的计算模型与方法,以CFX4为基础,采用用户软件,二次开发出模拟该现象的工程计算软件,并以工业化中实际使用的5 500 t/d的喷旋管道分解炉为对象,计算分析了炉内的煤粉燃烧、生料分解率在空间上的变化规律,探讨了炉内的湍流速度场及高温火焰燃烧区域、空气组分、颗粒体积浓度等的空间分布特征,指出了进一步优化的方向。     

Direct numerical simulation of the turbulent flow in a baffled tank driven by a Rushton turbine

We present a direct numerical simulation (DNS) of the turbulent flow in a baffled tank driven by by a Rushton turbine. The DNS is compared to a Large Eddy Simulation (LES), a Reynolds Averaged Navier‐Stokes (RANS) simulation, Laser Doppler Velocimetry data, and Particle Image Velocimetry data from the literature. By Reynolds averaging the DNS‐data, we validate the turbulent viscosity hypothesis by demonstrating strong alignment between the Reynolds stress and the mean strain rate. Although the turbulent viscosity ν_T in the DNS is larger than in the RANS simulation, the turbulent viscosity parameter C_μ = ν_T?/k², is an order of magnitude smaller than the standard 0.09 value of the k‐? model. By filtering the DNS‐data, we show that the Smagorinsky constant C_S is uniformly distributed over the tank with C_S ≈ 0.1. Consequently, the dynamic Smagorisnky model does not improve the accuracy of the LES. © 2012 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 2012     

气升式环流反应器的理论研究进展

概述了气升式环流反应器的流体力学模型,对工程实用性较强的气液两流体模型和气泡导致的湍动模型进行了分类,并对常见相间作用力模型和多相流求解技术进行了总结和评价. 指出将Favre平均的两流体模型和采用Sato模型考虑气泡导致湍动的k-e模型相结合是现阶段气升式环流反应器设计和放大的有力工具. 在分析了气液两相流理论现状的基础上,指出了其存在的问题和进一步的研究方向.     

湍流促进器强化微滤过程的实验与CFD模拟研究(英文)

This paper reports experimental and computational fluid dynamics(CFD) studies on the performance of microfiltration enhanced by a helical screw insert.The experimental results show that the use of turbulence pro-moter can improve the permeate flux of membrane in the crossflow microfiltration of calcium carbonate suspension,and flux improvement efficiency is strongly influenced by operation conditions.The energy consumption analysis indicates that the enhanced membrane system is more energy saving at higher feed concentrations.To explore the intrinsic mechanism of flux enhancement by a helical screw insert,three-dimensional CFD simulation of fluid flow was implemented.It reveals that hydrodynamic characteristics of fluid flow inside the channel are entirely changed by the turbulence promoter.The rotational flow pattern increases the scouring effect on the tube wall,reducing the particle deposition on the membrane surface.The absence of stagnant regions and high wall shear stress are respon-sible for the enhanced filtration performance.No secondary flow is generated in the channel,owing to the streamline shape of helical screw insert,so that the enhanced performance is achieved at relatively low energy consumption.