分離式壓力耦合算法的研究及用于裂解與水合管式反應(yīng)器的模擬.pdf

1、管式反應(yīng)器為化學(xué)工業(yè)中最常用反應(yīng)器類型之一。反應(yīng)器內(nèi)部流體的流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)等物理過(guò)程的研究是該型反應(yīng)器設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)與科學(xué)計(jì)算的發(fā)展，數(shù)值模擬已成為開(kāi)展這類研究強(qiáng)有力的工具之一。由于絕大多數(shù)管式反應(yīng)器中的流體流動(dòng)可視作不可壓縮流，因而管式反應(yīng)器數(shù)值模擬的實(shí)質(zhì)就在于求解反應(yīng)器內(nèi)不可壓縮流各控制方程。
　　分離式壓力耦合算法為求解不可壓縮流Navier-Stokes方程最高效、應(yīng)用最廣泛的方法之一。其中

2、，更以壓力修正方法(如SIMPLE系列算法)和分步式算法(如Projection算法)最為有名。本文針對(duì)這兩種算法現(xiàn)存的一些問(wèn)題展開(kāi)了研究，以促進(jìn)方法的完善和實(shí)際應(yīng)用。從面向?qū)ο蟮木幊汤砟畛霭l(fā)，本文開(kāi)發(fā)了基于三角形網(wǎng)格SIMPLE算法的計(jì)算機(jī)程序，并以若干經(jīng)典算例驗(yàn)證了程序的可靠性，為算法的進(jìn)一步研究和化工應(yīng)用提供計(jì)算平臺(tái)。對(duì)無(wú)壓Projection算法法向中間速度邊界條件展開(kāi)了研究，考察其對(duì)計(jì)算精度的影響。這對(duì)該算法理論的完善和實(shí)際應(yīng)

3、用均有顯著意義。
　　本文還就加速離散方程迭代求解速度的塊修正技術(shù)進(jìn)行了研究，考察其在管式反應(yīng)器模擬中的數(shù)值特性。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)：采用ADI-TDMA算法求解離散方程時(shí)輔以塊修正技術(shù)可大幅提高邊界條件向反應(yīng)器中心的傳遞速度，從而起到加速迭代收斂的作用；基于管式反應(yīng)器求解區(qū)域的幾何特征，軸向塊修正不起作用，徑向塊修正則可加速非線性問(wèn)題的全局收斂進(jìn)程，并且這種作用完全通過(guò)加速壓力修正方程而體現(xiàn)出來(lái)。
　　此外，本文采用二維圓柱軸對(duì)稱

4、坐標(biāo)下交錯(cuò)網(wǎng)格上的SIMPLE算法分別對(duì)環(huán)氧乙烷水合反應(yīng)器和乙烷裂解爐爐管進(jìn)行了數(shù)值模擬。控制方程離散采用有限體積法，為了獲得不低于二階的計(jì)算精度，對(duì)流項(xiàng)采用QUICK格式，擴(kuò)散項(xiàng)則采用中心差分格式。根據(jù)文獻(xiàn)中提供的動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算了組分輸運(yùn)方程和能量方程源項(xiàng)。湍流的模擬則是采用k-ε模型，并以壁面函數(shù)法進(jìn)行近壁面處理。通過(guò)與文獻(xiàn)提供的實(shí)驗(yàn)、工業(yè)數(shù)據(jù)相比對(duì)，證明數(shù)值模擬所得結(jié)果與實(shí)際情況吻合良好。此外，在乙烷裂解爐爐管的模擬過(guò)程中發(fā)現(xiàn)：塊