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。     

应用电导探针测定鼓泡塔内气泡参数

介绍了一种性能稳定的双头电导探针的制作工艺、测量原理。并用此电导探针测量了一定静液层高的带单个泡罩的鼓泡塔内气液两相流参数,包括局部气含率、界面浓度、当量直径等,并首次回归了局部气含率随空间位置、气体流量变化的关联式。     

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。     

鼓泡塔中无机盐水溶液-空气系统平均气含率的研究

在φ150×5毫米的鼓泡塔中,对无机盐类溶液-空气系统的平均气含率进行了实验研究,考察了氯化钙、硫酸镁、碳酸钠、氯化锌、氯化钠、硫酸钠及其混合溶液离子强度和物性参数对气含率影响的综合效应,并取得了相应的平均气含率计算关联式ε=0.541·(1.251+0.0245 I-0.0018 I~2)ρ~(-0.409)·σ~(-0.516)·μ~(-0.267)·u~(0.576)     

鼓泡塔内气液两相湍流实验研究

介绍了研究鼓泡塔气液两相流的实验装置、实验方法。液相用激光多普勒测速技术(LDV)测量,气相用粒子示踪测速技术(PIV)测量。实验表明,轴向液相速度的径向分布呈塔中心峰值、壁面附近倒流形式,且与气相表观速度大小有关,当液相表观速度一定时,随气相表观速度增大而愈加陡峭,返混也剧烈。当表观液速与表观气速之比小于19．6时,返混区总是存在,且返混区大小与高度有关：当表观液遣与表观气速之比大于19．6时,返混消失,含气率分布由塔中心峰值转向壁面峰值。径向液相速度既与气相表现速度有关又与位置高度有关,在塔底部呈现负值,这意味着向塔轴心方向流动。随着塔高增加。流动方向逐渐转变为向塔壁方向,且又有明显的峰值。     

鼓泡塔细胞反应器流体力学与传质特性

以超大规模细胞培养为目的,构建了与细胞培养体系十分接近的冷模实验体系,系统地研究了微载体(Cytodex I)、细胞保护剂(Pluronic F68)和消泡剂(Antifoam C)对鼓泡塔反应器中气、固、液三相流流体力学和氧传质特性的影响。在0.04～0.17cm/s 表观气速范围内采用 50 μm 孔径的烧结金属滤芯曝气时,在含有 0.5 和 1.0 g/L 的 Pluronic F68 的磷酸盐缓冲溶液冷模体系中,气含率与表观气速成线性增加关系,而气泡直径受表观气速影响较小;相同气速下的冷模体系与空气-水体系相比,气含率显著提高,气泡直径明显减小。在所研究的表观气速范围内微载体均可全悬浮,对气含率有一定增强,但微载体浓度为14%～20% 时对气泡大小几乎无影响。消泡剂用量在 1.60×10^-4时,可以有效抑制泡沫的形成。添加剂对液膜传质系数 k_L有较大负面作用,抵消了小气泡带来的传质面积增加,总的体积传质系数k_La 变化不大。Euler-Euler 多相流计算流体力学模型与拟稳态实验数据吻合较好,可用于指导反应器放...     

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.     

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。     

筛板结构对多级鼓泡塔中流体力学参数的影响

在外径0.3 m的多级鼓泡塔中采用双探针电导探头考察了筛板结构对鼓泡塔中筛板上下两处流体力学参数的影响,并与无筛板鼓泡塔中流体力学参数进行了对比。研究结果表明:带筛板的鼓泡塔中气含率径向分布规律和无筛板的鼓泡塔相类似,筛板上下二侧的平均气含率随表观气速的增加而增加;在鼓泡塔轴向位置上,筛板下侧的气含率普遍比筛板上侧气含率要高;筛板的孔分布方式对于气含率径向分布有着一定影响,但孔径大小对此影响较小。     

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。     

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%。     

CFD-PBM耦合模型模拟气液鼓泡床的通用性研究

通过对不同操作压力和不同液体性质气液鼓泡床的模拟值与实验数据进行对比，从而验证CFD-PBM耦合模型的通用性。结果表明，CFD-PBM耦合模型在加入了气泡破碎修正因子后，可以很好地预测压力对鼓泡床流体力学行为的影响趋势，当压力升高时，气含率显著升高。不同液体黏度和表面张力条件下CFD-PBM耦合模型的模拟结果与实验结果均吻合较好。随液体黏度增大，气泡破碎速率减小，气泡尺寸分布变宽，曳力显著下降，气含率随之降低。随表面张力减小，气泡破碎速率增大，气泡变小，气含率升高。CFD-PBM耦合模型具有很好的通用性，原因在于考虑了压力、液体黏度和表面张力对气泡聚并、破碎和气液相间作用力的影响。     

萃取柱内液-液两相流CFD-PBM模拟研究进展

对萃取柱内CFD-PBM模拟研究进行了较详细的综述,包括其基本理论、不同的求解方法及模拟研究现状等. CFD-PBM模拟的基本方程包括流动方程和群体平衡方程,其相互耦合,群体平衡方程涉及破碎与聚并2个关键模型. 群体平衡模型的求解方法包括直接离散化方法、矩量法、正交矩量法、直接正交矩量法、分段正交矩量法等,对这些方法的原理、优点和缺点进行了综述. 目前国际上关于萃取柱内CFD模拟采用较多的是简单的欧拉-欧拉两相流模拟,考虑液滴尺寸分布和进一步的浓度分布的群体平衡模型应用较少. 完善伴随传质的液-液分散体系的群体平衡模型,并将其应用于不同类型的萃取柱中,是萃取分离学科的重要任务.     

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。     

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.     

浮选设备流体力学特征参数研究现状

浮选设备是矿物加工工程领域一种重要的气液反应装置,主要包括浮选机和浮选柱。浮选设备应用已有百年历史,随着选矿技术水平的提高,浮选设备逐渐向自动化、大型化的方向发展。近年来对浮选设备内流体力学特征参数的研究解析越来越多,进一步促进了设备的合理放大和优化。本工作在简要介绍目前浮选设备的发展和应用现状后,总结了国内外学者对浮选设备内气泡尺寸、气含率和气泡速度3个重要流体力学特征参数的检测方法和研究现状,提出了在今后研究中,开发以机器视觉为核心的检测技术和强化侵入式检测装置的适用性是流体力学特征参数检测手段的发展方向之一。     

管型混合澄清槽内的液-液两相流的数值模拟

管型混合澄清槽在工业生产中具有广阔的应用前景。通过计算流体力学分别对管型混合澄清槽内的混合室和澄清室进行数值模拟,系统地探究了分散相液滴尺寸（d₃₂₌ 100~500 μm）、进料油水比（O∶A = 1∶1~1∶5）、入口挡板及入口位置对混合澄清效果的影响,并将模拟结果与传统方型混合澄清槽进行对比。结果表明,管型混合室内的流场分布更合理,不易形成流动死区。管型混合室内搅拌桨上方和下方形成压力更小的低压区,流体的湍动能更大,搅拌性能更好。在混合室中,降低分散相d₃₂和进料油水比能够提高混合性能。在澄清室中,提高分散相d₃₂和降低进料油水比能够提高澄清性能,入口挡板能够有效提高澄清性能。