本文關(guān)鍵詞： CFD 鼓泡塔 兩相流 三相流 數(shù)值模擬 PBM　出處：《天津大學(xué)》2015年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：鼓泡塔反應(yīng)器具有傳質(zhì)效率高、耗能較低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等顯著優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于石油化工、生物化工等眾多領(lǐng)域。而迄今為止,人們對(duì)于鼓泡塔內(nèi)流場(chǎng)的認(rèn)識(shí)仍然有限,而計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,CFD)的快速發(fā)展,為鼓泡塔內(nèi)流場(chǎng)的研究提供了一種新的途徑。本文應(yīng)用歐拉-歐拉模型,在ANSYS-Fluent軟件平臺(tái),對(duì)鼓泡塔中氣液兩相和氣液固三相流動(dòng)進(jìn)行了模擬計(jì)算。為節(jié)省計(jì)算時(shí)間,采用全塔徑均勻進(jìn)氣的簡(jiǎn)化方案,減少了75%~80%的網(wǎng)格數(shù),大大減輕了計(jì)算量。同時(shí),比較了單一氣泡尺寸模型和群體平衡模型(Population Balance Model,PBM)在此簡(jiǎn)化條件下的適用性,發(fā)現(xiàn)單一氣泡尺寸模型不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)塔內(nèi)流動(dòng)情況。而PBM模型所得的氣含率徑向分布與實(shí)驗(yàn)值吻合較好。在PBM模型的計(jì)算中,發(fā)現(xiàn)原用于顆粒聚并計(jì)算的Abrahamson模型,在合適的Hamaker數(shù)下,也可用于氣泡聚并的計(jì)算。為了解決出口邊界處液相逸出和自由區(qū)域內(nèi)有漩渦形成的問(wèn)題,本文采用了新的邊界條件,對(duì)原有的出口邊界中氣相和液相速度進(jìn)行了修正,改進(jìn)后的邊界條件可以使液面處的流場(chǎng)更加均勻穩(wěn)定,計(jì)算更容易收斂。在此狀態(tài)下,使用Schiller-Naumann、Grace和Tomiyama三種曳力模型分別進(jìn)行氣液兩相流模擬。將模擬值與實(shí)驗(yàn)值比較后,發(fā)現(xiàn)使用Tomiyama曳力模型所得模擬值與實(shí)驗(yàn)值符合程度較高。開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究了氣液固三相流體中的相含率分布規(guī)律。設(shè)計(jì)并搭建了高1.5m的鼓泡塔和取樣測(cè)量裝置,在0.01354 m/s和0.01805 m/s兩表觀氣速下,測(cè)量了5個(gè)軸向高度上氣固含率分布,并對(duì)結(jié)果做誤差分析。在氣液固三相流動(dòng)的計(jì)算中,以搭建實(shí)驗(yàn)裝置為幾何模型,在此前的氣液兩相模型設(shè)定中加入固相進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)模擬,發(fā)現(xiàn)氣含率分布與實(shí)驗(yàn)值可信范圍較符合,再次驗(yàn)證了選用的氣液間模型合理性。固含率模擬值趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符,但數(shù)值偏大,這可能是因固液密度差較大,導(dǎo)致固相測(cè)量值偏小。
[Abstract]:Bubble column reactor has many advantages, such as high mass transfer efficiency, low energy consumption, simple structure and so on. It is widely used in many fields, such as petrochemical, biochemistry and so on. However, up to now, people's understanding of the flow field in bubble column is still limited. The rapid development of Computational Fluid Dynamics (CFDs) provides a new way for the study of flow field in bubbling column. In this paper, Euler-Euler model is used in ANSYS-Fluent software platform. The gas-liquid two-phase and gas-liquid-solid three-phase flow in bubbling column was simulated and calculated. In order to save calculation time, a simplified scheme of uniform air intake with whole tower diameter was adopted, which reduced the mesh number by 75% and greatly reduced the calculation amount. The applicability of single bubble size model and population Balance model is compared under this simplified condition. It is found that the single bubble size model can not accurately predict the flow in the tower, while the radial distribution of gas holdup obtained by PBM model is in good agreement with the experimental data. In the calculation of PBM model, the Abrahamson model used for particle aggregation calculation was found. In order to solve the problem of liquid-phase escape at the exit boundary and the formation of vortex in the free region, a new boundary condition is adopted in this paper. The velocity of gas phase and liquid phase in the original exit boundary is modified. The improved boundary condition can make the flow field at the liquid level more uniform and stable, and the calculation is easier to converge. Three drag models, Schiller-Naumanni Grace and Tomiyama, are used to simulate gas-liquid two-phase flow. It is found that the simulated values obtained by using the Tomiyama drag model are in good agreement with the experimental values. The phase holdup distribution in gas-liquid-solid three-phase fluids is studied experimentally. A 1.5m bubble tower and a sampling measuring device are designed and built. At the two apparent gas velocities of 0.01354 m / s and 0.01805 m / s, the distribution of gas-solid holdup at five axial heights was measured, and the error analysis was made. In the calculation of gas-liquid-solid three-phase flow, the experimental device was built as the geometric model. It is found that the distribution of gas holdup is in good agreement with the credible range of experimental values, and the rationality of the selected gas-liquid model is verified again, and the trend of simulation value of solid holdup is consistent with the experimental results. However, the value is larger, which may be due to the large solid-liquid density difference, resulting in a small solid-phase measurement value.
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TQ053.5

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本文編號(hào)：1499218