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.     

气体分布器结构对气升式环流反应器内气液两相流动的影响

使用欧拉两流体模型研究气体分布器结构对气升式环流反应器内气液两相流动的影响,预测了环己烷氧化反应器内单环结构、三环结构、五环结构的气体分布器时反应器内液相速度分布、气含率分布、液相循环速度以及液相微观混合特性.模拟结果表明,在等量的进气流量下,气体分布器环数增加,液相速度分布和气含率分布更趋均匀;气体分布器环数增加,液相推动力增加,从而使得液相循环速度增加,液相的宏观混合效果增强;气体分布器环数增加,导流筒内外的平均气含率增加.随机游走模型模拟结果表明,气升式环流反应器与普通鼓泡床反应器对气体分布器结构要求不同.     

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。     

微通道内气液两相流行为研究进展

综述了微通道内的气液两相流行为及传质特性。在微通道内流型一般分为泡状流、弹状流、环状流和弹状-环状流,没有分层流。气液传质效率比常规尺度中的提高了2～3个数量级。讨论了气泡对气液两相流的影响及其生成、生长和聚并规律。介绍了微通道内气液两相流的计算机模拟结果。从实验、理论和数值模拟3个方面对微通道内气液两相流的研究和应用前景进行了展望。     

气液两相单孔鼓泡流体动力学行为混沌预测

应用混沌预测方法 ,对气液两相单孔鼓泡系统的压力波动时间序列进行了短期预测 .结果表明 ,混沌预测方法是预测气液两相鼓泡系统压力波动等流体动力学行为的有效新途径 .     

管路内高温高压气液两相流动特性

管路结构设计与优化对提高工质输运效率具有重要意义.针对亚/超临界水氧化工艺中涉及的气液两相流动过程进行了三维非稳态数值模拟.结果表明,管路内温度沿流动方向逐渐降低,气含率逐渐升高;不同结构管路内压力分布呈显著差别.水平直管内压降随管径增大而降低,但当管径达到0.016 m时,压降变化不再显著;水平渐扩管内压降随渐扩段管...     

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.     

Lightnin静态混合器内气液两相混合与传质强化特性

采用计算流体力学(CFD)耦合群体平衡模型(PBM)研究Lightnin静态混合器(LSM)内气泡分散特性,使用不同的破碎核和聚并核函数系统研究雷诺数(Re)、气相体积分数(α_d)和元件数量对气泡分散行为以及混合效率的影响,采用气液界面积和体积传质系数(k_La)量化LSM和Kenics静态混合器(KSM)内气泡破碎性能以及传质速率,基于变异系数(CoV)和流体微元拉伸率分析LSM和KSM的分布混合性能和分散混合性能。结果表明：Luo聚并模型和Prince模型高估了LSM内气泡的聚并效率,通过Luo-Turbulent模型计算的气泡尺寸与实验数值具有很好的一致性;随着Re和α_d的增大,LSM内气泡的分散行为被进一步强化,在高Re的条件下增大元件数量可以显著提高气液传质效率;CoV曲线表明,LSM具有比KSM更好的分布混合性能,3个LSM元件可以保证混合程度大于95%。LSM的分散混合效率是KSM的1.06～1.16倍;基于压力波动信号时间序列,确定了LSM中流型从过渡区向非均匀区转变的临界表观速度。     

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。     

低温输运管道预冷过程的气液两相数值分析

低温流体在输运管道中预冷时会出现复杂的气液两相流现象。本研究的数值仿真主要针对液氮在管道内沸腾过程中的传热特性、气泡的生成规律、临界热通量等进行分析。通过改变管道直径、入口液氮流量,讨论了不同时刻计算域内部的温度、热通量以及两相分布规律,最终得到研究范围内的临界热通量（CHF）特性。研究发现,流体温度突变时间随着管径的减小而提前,随着流量的增大而后延;壁面温度变化幅度随着管径的增大而增大;CHF值随着管径的减小而增加,随着入口流量的增加而减小。     

射流鼓泡反应器内气液分散状态检测

射流鼓泡反应器内随着射流速度的增大,先后经历气泛、载气和完全分散三种气液分散状态。本文在射流鼓泡反应器实验装置中,利用Pavlov管测量气体分布器上方壁面附近的液速波动信号,发现液速标准差和时均液速随射流速度的增大均依次出现第一平稳段、上升段、下降段和第二平稳段,其中,第一平稳段对应气泛状态,上升和下降段对应载气状态,第二平稳段对应完全分散状态。据此提出了临界射流速度的判断准则：第一平稳段与快速上升段的交点对应的射流速度为泛点射流速度u _jf,下降段与第二平稳段的交点对应的射流速度为完全分散射流速度u _jcd。与目测法相比,液速标准差分析得到的u _jf的平均相对偏差为5.82%,u _jcd的平均相对偏差为18.2%;时均液速分析得到的u _jf的平均相对偏差为5.86%,u _jcd的平均相对偏差为12.1%。研究还发现泛点射流速度随表观气速的增大而增大。     

气液喷射器的结构设计与性能分析

喷射式环流反应器是一种高效的多相反应器,由于其具有良好的传热、传质和混合特性,目前已被广泛应用于生物、化学、制冷和环境保护等工程领域。气液喷射器作为喷射式环流反应器的核心部件之一,其结构尺寸对环流反应器的传质特性和适用环境都具有显著影响。为考察结构尺寸对喷射器性能的影响,本文根据其工作原理,设计了一台模试气液喷射器,并通过冷模试验对其进行性能测试研究。试验结果表明:气液喷射器的引气能力主要取决于其混合喉管与喷嘴出口截面比f₃/f₁以及喷射器进出口压力降Δp_p/Δp_c,而环流反应器的气含率仅与喷射器的液相射流量和气体引射量有关。相同液相流量条件下,喷射器的最大引射空气量随截面比f₃/f₁的增大而增大,反应器内的平均气含率随之增加;提高液相射流与引射气体的速度差能够加强两股流体间的剪切作用,使气泡更易发生破碎。当喷射器的气液比大于2.6时,反应器内的混合流体可达到乳化状态。     

固定床反应器中气液分配器的流体力学性能

设计了一种底部带有碎流板的新型管式气液分配器。以水和空气代替工业上的原油和氢气进行冷模实验。实验过程为:水由水箱经水泵抽出,经液体流量计计量后进入实验塔上部的气液扩散器,气液两相流经急冷箱冷却后同时向下通过分配器。进入到接液装置的液体通过橡胶管导入到放置在地面上的17个标有编号的量筒中,未进入接液装置的液体流入水箱,气体则排放到大气中。最后用U形管差压计测量分配器的压力降。实验研究了该分配器的分配性能、压力降损失、气液相操作弹性和分布不均度,优化并确定该分配器的结构形式和结构参数。结果表明,该分配器的最佳工作条件为:液相量为0.3m³/h左右,气相量为20~30m³/h。     

洗涤冷却室气液两相流的模拟及结构优化

洗涤冷却室是激冷式煤气化炉的重要组成部分,对气化室内生成的高温合成气进行降温及洗涤。目前的洗涤冷却室在工业上依然存在诸多问题,如液位及压力波动较大、装置运行不稳定、洗涤效率不够高等,需要对其结构进行优化改进。采用三维欧拉-欧拉模型对三种不同结构的洗涤冷却室进行了CFD模拟。三种洗涤冷却室的结构分别为无内构件、含有支管内构件及新型耦合支管与导流筒内构件。与文献实验数据的对比表明,模型能较准确地预测洗涤冷却室内的气含率分布。支管的加入分流了部分气量,使部分气体能够从鼓泡区域中心上升,促进了气体的径向扩散,有助于维持装置的稳定运行;而导流筒内构件的加入增大了支管气体分流的比例,提升了洗涤冷却室液面下的全局气含率,增强了气液回流,从而进一步强化洗涤效果。     

气液两相流界面多尺度问题可计算性研究进展

气液两相流复杂多变的界面结构在瞬态时间上具有宽广的空间尺度范围.界面多尺度问题涉及化工领域、核安全领域以及其他多个领域,其可计算性是当前国内外气液两相流领域的研究焦点之一.分析了欧拉体系下处理气液两相流相界面不连续性的两种基本模型以及湍流模拟方法对界面结构的影响.针对离散流界面尺度分布性和混合流界面跨尺度性两类多尺度问题,分析了可计算性研究面临的困境,将其归因于网格尺度的约束、几何及物理边界的缺失.重点归纳了混合流界面跨尺度性问题的计算方法以及典型应用.最后对气液两相流界面多尺度问题提出了应对策略及研究趋势,为此类问题研究提供有益的参考.     

微反应器结构对气液二相分布规律的影响

采用高速摄像仪对3种结构的微反应器内气液二相流型、流动分布及空隙率进行了研究。微反应器采用内置分布实现气液二相分布,3个内置分布器分布角度依次为60°,90°,120°。采用各支通道内气泡长度、气泡速度的相对偏差,相对标准偏差值体现气液二相分布的不均匀程度,考察了分布器结构对各支通道内空隙率的影响。结果表明:随内置分布器分布角度的增大,在实验范围内,各支通道气泡长度分布均匀程度减小,气泡运动速度分布均匀程度增大。各支通道空隙率变化与内置分布器分布角度及支通道与主通道的相对位置有关。     

工业环管反应器结构对非均匀流动的影响

工业环管反应器的结构参数对管内液固两相流动及装置的平稳高效运行具有重要的影响。对工业聚丙烯环管反应器进行CFD模拟,发现环管反应器中存在明显的非均匀流动现象--弯管处的颗粒偏析和直管处的颗粒带。进而引入非均匀度定量表征非均匀流动,研究直管段长度和直管段数量对非均匀流动的影响。研究发现,对直管段数量为2的环管反应器,当直管段高径比超过43时,出口截面上颗粒分布的非均匀度不随高径比增加而变化;对直管段数量为4的环管反应器,直管段高径比越大,出口截面上颗粒分布越均匀;对直管段长度为39 m、高径比为65的环管反应器,直管段数量越多,出口截面上颗粒分布越均匀;与直管段数量相比,直管段长度（高径比）对出口处非均匀度的影响更显著。研究结果可为工业环管反应器的设计和优化提供指导。     

气泡羽流气液两相流动特性的研究进展

气泡羽流是一种复杂的气液两相流,广泛应用于废水处理、石油加工、环保等工业领域。气泡羽流的流动特性对气液两相间质量、动量传递及工业应用至关重要。本工作总结了理论与实验研究等方面气泡羽流流动特性的研究进展。详细讨论了气泡羽流气液两相流体水力学特性、羽流运动行为的影响因素。根据气含率、气泡直径等水力学参数的预测模型和经验公式,归纳了不同液相物性和结构参数下羽流模型的适用范围,揭示了流动对传质的作用。总结了分层流体中气泡羽流流型变化规律、羽流去分层效果以及引起流型变化的影响因素。阐释了横向流动环境下羽流的偏移行为呈线性变化,该变化与横向流速及表观气速等因素有关。最后讨论了气泡羽流气液两相流动特性研究手段和理论方法的局限性,展望了气泡羽流运动规律多尺度研究的方向。