旋轉(zhuǎn)填充床中流體流動(dòng)的三維CFD數(shù)值模擬研究.pdf

1、旋轉(zhuǎn)填充床在化工過(guò)程強(qiáng)化方面有著特殊優(yōu)點(diǎn)，很多學(xué)者已經(jīng)在其工業(yè)應(yīng)用方面取得了巨大的成果，但是對(duì)于其內(nèi)部流場(chǎng)的流體力學(xué)性能還有待作進(jìn)一步的研究。本文將實(shí)際的填料視作多孔介質(zhì)，利用FLUENT商業(yè)軟件中的多孔介質(zhì)模型，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室中的旋轉(zhuǎn)床尺寸，建立了多種不同內(nèi)結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)填充床三維物理模型，同時(shí)選擇了適合多孔介質(zhì)模型下的湍流方程，分別對(duì)氣相與氣液兩相流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。主要研究結(jié)果如下:
　　 (1)在多孔介質(zhì)模型中，標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流方

2、程模型的模擬結(jié)果比Realizable k-ε湍流方程模型的模擬值更加接近實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流方程模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)平均誤差為14.7％;且填料的孔隙率越高，氣相壓降越低。
　　 (2)模擬了氣體流量與轉(zhuǎn)速對(duì)常規(guī)旋轉(zhuǎn)填充床氣相壓降的影響規(guī)律。結(jié)果表明，氣相壓降均隨氣量與轉(zhuǎn)速的增大而增大，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果平均誤差在±20％以內(nèi);在多孔介質(zhì)模型中，空腔區(qū)流體的湍動(dòng)能大于填料區(qū)的湍動(dòng)能。模擬了徑向厚度對(duì)氣相壓降的影響，結(jié)果表明，

3、在固定填料外緣直徑條件下，填料越厚，壓降越小;在固定填料內(nèi)緣直徑條件下，填料越厚，壓降越大。在旋轉(zhuǎn)床空腔中加入絲網(wǎng)以后，壓降增大，氣體沿絲網(wǎng)與壁面存在較大的速度梯度，空腔內(nèi)氣體的流速沿徑向逐漸減小。
　　 (3)建立了分段進(jìn)液式超重力旋轉(zhuǎn)填充床的三維物理模型，考察了氣量與轉(zhuǎn)速對(duì)壓降的影響，氣量對(duì)壓降的影響的模擬值與實(shí)驗(yàn)值平均誤差在±20％以內(nèi)，轉(zhuǎn)速對(duì)壓降的模擬值與實(shí)驗(yàn)值平均誤差在±10％內(nèi)。通過(guò)速度云圖可以看出填料區(qū)與填料中間的

4、空腔區(qū)氣體速度大小不同，這是因?yàn)楦咚俎D(zhuǎn)動(dòng)的填料對(duì)氣體有阻力作用。
　　 (4)建立了切向進(jìn)口、徑向進(jìn)口、徑向加擋板進(jìn)口、徑向擋板開孔進(jìn)口四種不同結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)床的三維物理模型，并對(duì)這四種結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)床的壓降與氣體沿徑向分布均勻性做了模擬，發(fā)現(xiàn)氣相壓降均隨氣量與轉(zhuǎn)速的增大而增大，并且四種不同進(jìn)口方式進(jìn)出口壓降增幅基本一樣。徑向進(jìn)口結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)床內(nèi)部，氣相分布很不均勻，壓力波動(dòng)幅度較大。徑向擋板開孔結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)床氣相分布要優(yōu)于進(jìn)口擋板未開孔結(jié)構(gòu)的旋

5、轉(zhuǎn)床。相比較而言，切向進(jìn)口結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)床氣相分布較為均勻。總體氣相分布均勻性最好的為切向進(jìn)口，其次為徑向擋板開孔進(jìn)口，再次為徑向擋板進(jìn)口，最差的為徑向進(jìn)口，在實(shí)際工程應(yīng)用中，氣流量比較大時(shí)，切向機(jī)械加工很復(fù)雜，可以用徑向擋板開孔進(jìn)口的方式代替切向進(jìn)口。
　　 (5)采用離散顆粒模型，建立了旋轉(zhuǎn)填充床氣液兩相模型。模擬結(jié)果表明，液滴從噴射源出來(lái)后，速度瞬間減小，進(jìn)入填料層后速度開始增大，從填料層出來(lái)后速度減小，直到碰到壁面消失，液滴碰