基于EMMS模型的搅拌釜内气液两相流数值模拟

采用欧拉-欧拉模型对搅拌釜内气液两相流进行了三维CFD模拟,重点研究了采用不同曳力模型时CFD模拟对搅拌桨附近排出流区两相流动的预测能力。模拟结果表明CFD能准确地预测排出流区的液相速度分布,但采用传统的Schiller-Naumann曳力一定程度上低估了排出流区的气液相间曳力,导致在完全扩散区CFD预测的分布器和桨叶下方区域气含率偏小,而基于气液非均匀结构和能量最小多尺度（EMMS）方法得到的DBS-Global曳力模型能更准确地描述完全扩散区气液搅拌釜内流动情况。与传统曳力模型相比,采用DBS-Global曳力模型能显著提高对气含率的预测。     

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.     

搅拌釜内稠密固-液混合的数值模拟

基于颗粒动力学理论对稠密固-液搅拌釜进行模拟,探究固相分布、固相悬浮高度及沉积高度随转速的变化规律。结果表明,采用颗粒动力学理论(KTGF)模型能够较好地预测稠密固-液混合状态。在较低的转速下,釜底的固相浓度较高,桨叶下方、釜壁与釜底的连接处易形成固相的沉积,且搅拌釜上方会出现清液区域。随着转速的增加,固相在轴向分布逐渐均匀,固相沉积区域及固相悬浮高度分别缩小和升高。但是,当转速达到一定程度后,固相均匀度及固相悬浮高度的改善不明显。此外,将固相均匀度法、固相沉积高度法及固相悬浮高度法预测的临界离底悬浮转速与实验数据进行比较,模拟值分别低于、高于和低于实验值。     

搅拌釜内流场三维数值模拟及功率预测

大型搅拌釜,尤其是涉及传热或两相介质搅拌的容器,其搅拌效果和功率往往难以预测。针对大型搅拌釜的搅拌器设计、流场结构模拟和功率预测等问题,采用CFD数值模拟技术,对搅拌釜内部的三维流场进行了数值计算。分析了搅拌釜内的流动结构,计算了不同曝气量时的搅拌功率,获得了详细的流场信息和各项特性参数。     

矩形截面螺旋管内气液两相流型转换数值模拟

采用CLSVOF(coupled level set and volume of fluid method)方法,以空气和水为介质对矩形截面螺旋管内气液两相流动进行数值模拟,气相折算速度U_G为0.1～2.5 m·s^-1,液相折算速度U_L为0.09～4.5 m·s^-1.研究螺旋直径、螺旋升角对流型转换边界的影响,并绘制了不同螺旋直径、不同螺旋升角下的流型图.数值结果表明,与传统VOF方法相比,CLSVOF可以得到更精确的相界面;随着螺旋升角的增加,塞状流向泡状流的转换边界向U_L减小的方向进行,但是幅度很小,塞状流向弹状流的转换边界向U_L减小的方向进行;随着螺旋直径的增加,塞状流向泡状流的转换边界向U_L减小的方向进行,塞状流向弹状流的转换边界向U_L减小、U_G增大的方向进行;与Murai流型图相比,流型转换边界有所差异.     

剪切变稀体系同心双轴搅拌釜内的气液分散模拟

气液搅拌设备因其良好的适用性被广泛应用于过程工业中。为更好地比较不同工况下剪切变稀体系中的气液分散情况,通过实验研究整体气含率和相对功耗确定适宜的转动模式,进而模拟研究表观气速、体系黏度、搅拌转速对气含率和气泡尺寸的影响。结果表明,相同功率下内外双桨反向旋转模式在理想气液分散条件下,相较于单轴内桨和内外双桨同向旋转模式具有更高的气含率和更好的气体泵送能力;表观气速的增加有利于气泡的均匀分散,但气泡尺寸也会随之增大;有效黏度的增加使得搅拌桨的影响区域变小,不利于气泡的均匀分散,气泡尺寸也随之增大;搅拌转速的增加使得循环涡流的影响区域变大,高气含率区不断扩大。     

大型侧进式搅拌釜内湍流流场的数值模拟

采用计算流体力学(CFD)技术对直径和高度均为13 m的大型侧进式搅拌釜内均相宏观流场进行数值计算。结果表明,将计算域划分为大约90万网格时,计算得到的搅拌功率曲线与实验数据吻合较好;考察不同操作转速、搅拌桨安装角度及个数对釜内低速死区分布的影响,发现增大搅拌转速很难有效地消除水平面上的死区;搅拌桨垂直向下5.71°或水平偏转11°安装能明显改善流体运动。三桨和四桨搅拌体系对釜上部流场的优化要好于两桨体系;但在相同转速下,双桨、三桨和四桨搅拌釜的搅拌功耗分别是单桨搅拌釜的1.2倍、2.3倍和3.4倍。综合考虑,三桨体系搅拌效率较高。最后采用组分模型计算得到不同转速下三桨釜的混合时间。     

多层新型桨搅拌槽内气-液两相流动的实验与数值模拟

对三层新型组合桨气-液两相搅拌槽内的流体流动进行了实验研究,并采用计算流体力学(CFD)的方法对气-液两相搅拌槽的通气搅拌功率、流场、局部气含率及总体气含率进行了数值模拟,数值模拟采用了欧拉-欧拉方法,数值模拟结果与实验值吻合良好,同时考察了通气流量和搅拌转速对通气搅拌功率和气含率的影响规律. 研究结果表明,欧拉-欧拉方法能较好地模拟搅拌槽内气-液两相流的流动状况.     

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。     

大涡模拟搅拌槽中的液相流动

采采用大涡模拟湍流模型对有档板的Rushton 桨搅拌槽进行了数值模拟研究。控制方程采用控制容积法进行离散,对流项用三阶QUICK格式,扩散项是二阶中心差分。压力 速度耦合方程在交错网格上采用SIMPLE算法进行求解。小尺度流动的模化采用动力学（dynamic）亚格子模型。搅拌桨与档板之间的相互作用采用改进的内外迭代法进行处理。计算结果和文献值吻合得很好。     

Transitional flow in a Rushton turbine stirred tank

The way in which the single phase flow of Newtonian liquids in the vicinity of the impeller in a Rushton turbine stirred tank goes through a laminar‐turbulent transition has been studied in detail experimentally (with Particle Image Velocimetry) as well as computationally. For Reynolds numbers equal to or higher than 6000, the average velocities and velocity fluctuation levels scale well with the impeller tip speed, that is, show Reynolds independent behavior. Surprising flow structures were measured—and confirmed through independent experimental repetitions—at Reynolds numbers around 1300. Upon reducing the Reynolds number from values in the fully turbulent regime, the trailing vortex system behind the impeller blades weakens with the upper vortex weakening much stronger than the lower vortex. Simulations with a variety of methods (direct numerical simulations, transitional turbulence modeling) and software implementations (ANSYS‐Fluent commercial software, lattice‐Boltzmann in‐house software) have only partial success in representing the experimentally observed laminar‐turbulent transition. © 2017 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 63: 3610–3623, 2017     

搅拌槽中酯化反应热失控的CFD模拟

热失控是化工过程中常见的安全风险之一。在间歇釜式反应器中,桨叶的机械转动可以增强流体的循环流动、湍流强度、混合程度以及传热,进而有效防范热失控。防控效果与反应器结构和搅拌桨型密切相关。针对丙酸异丙酯酯化反应,采用计算流体力学模拟研究了桨型(Rushton桨、30o PBT桨及60o PBT桨)、转动方向和挡板对釜式反应器内温度演化的影响,从流动结构方面分析了原因。基于散度的失控判据比较了三种搅拌桨抑制热失控的能力,抑制能力为Rushton桨＞30° PBTD桨＞60° PBTD桨。本研究可为搅拌反应器热失控的优化设计提供一定的理论依据。     

搅拌釜三维流场的雷诺应力模型数值模拟

引言 近年来,雷诺平均Navier-Stokes方程及其封闭方程组成的湍流模型在应用于搅拌釜复杂湍流现象的模拟上取得了成功,主要是采用标准k-ε[1]、RNG k-ε[2]等模型.     

Rushton涡轮搅拌槽内流场特性及颗粒运动行为数值模拟

基于计算流体动力学（CFD）方法,采用大涡模拟（LES）和拉格朗日颗粒追踪技术计算了Rushton涡轮搅拌槽内流场特性及三种St颗粒的运动行为。平均流场（切向速度、轴向速度和径向速度）、颗粒速度及浓度分布方面与实验值的吻合度较好,验证了数值模拟的可靠性。结果表明,搅拌流场及颗粒运动均呈现循环流特性,当转速N=313r/min不变时,St=0.24的小颗粒几乎实现了均匀分布;而St=37.3的大颗粒与流体的跟随性较差,底部沉积率较高,容器顶部会出现一定的颗粒空白区。叶轮附近产生一系列的湍流涡结构,并且由于剧烈的颗粒-壁面碰撞,该位置颗粒拟温度最高;小颗粒（St=0.24）的运移主要受叶片后方尾涡的控制,均匀分布在低涡量区;而大颗粒（St=37.3）由于具有较大的惯性,运动不再由涡主导,很快被叶轮甩向边壁,穿过了尾涡所形成的高涡量区,故而叶轮对附近大颗粒的搅拌效果较差。     

双层涡轮桨搅拌反应器内混合时间的大涡模拟

采用计算流体力学(CFD)方法对直径为0.476m双层涡轮桨搅拌反应器内的流动及混合进行了数值模拟,并实验测试了混合过程。利用大涡模拟(LES)及Smagorinsky-Lilly亚格子模型求解湍流流动与示踪剂传递过程,桨叶区域采用滑移网格技术。研究结果表明,大涡模拟得到的示踪剂响应曲线和混合时间与实验结果吻合良好,其预测精度明显优于基于雷诺平均(Reynolds-averaged Navier-Stokes,RANS)的标准k-ε模型的模拟结果。大涡模拟是研究搅拌反应器内非稳态及周期性湍流流动的有效方法。     

三种湍流模型下搅拌釜内气含率特性的模拟

采用计算流体力学（CFD）方法,应用Euler-Euler双流体模型,桨叶采用多重参考系法（MFR）,与考虑气泡聚并与破碎对气泡尺寸影响的群体平衡模型（PBM）相结合,比较了标准k-ε、Realizable k-ε和RNG k-ε3种湍流模型对双层涡轮搅拌釜内气-液两相液相流场、局部气含率及气泡尺寸分布的影响。结果表明：3种湍流模型预测的液相流场流型相似,总体气含率预测值相差不大,均与实验值吻合较好。对于局部气含率,标准k-ε和RNG k-ε模型在桨叶区的预测值偏大,在接近自由液面处三者预测值均偏低,Realizable k-ε模型预测结果与实验值符合最好;对于气泡尺寸,3种湍流模型预测结果均与实验值较吻合,在靠近自由液面处预测值均偏小,气泡尺寸分布与湍流长度分布相吻合。     

搅拌槽内气液两相混沌混合及分散特性

传统Rushton刚性桨常应用于过程工业中搅拌反应器内的气液分散过程,但由于桨叶背后易形成较大的气穴,气液混合效果较差。为了提高搅拌槽内气液两相的混合效果,提出了一种刚柔组合桨强化气液两相的分散过程。利用LabVIEW软件处理刚性桨和刚柔组合桨体系中气液混合过程的压力脉动信号,通过Matlab软件编程计算最大Lyapunov指数（LLE）,分析气液混合体系的混沌混合行为,同时,对刚性桨和刚柔组合桨体系中的相对搅拌功耗、整体气含率、局部气含率进行测量。结果表明,在功耗为170 W,通气量为10 m³·h^-1条件下,与刚性桨相比,刚柔组合桨能够通过刚-柔-流的耦合作用促进桨叶能量的传递过程,提高搅拌体系的混沌混合程度,刚柔组合桨体系的LLE提高了8.89%。同时,在相同操作条件下,与刚性桨相比,刚柔组合桨能够有效提高相对搅拌功耗以及搅拌槽内的整体气含率和局部气含率,且搅拌槽内气体分散更为均匀。