本文關(guān)鍵詞：大型鼓泡塔中布氣方式與列管內(nèi)構(gòu)件對流動的影響研究

  更多相關(guān)文章： 大型鼓泡塔 流動發(fā)展 布氣方式 列管內(nèi)構(gòu)件 CFD 氣泡運動

【摘要】：鼓泡塔(漿態(tài)床)是一種常見的氣-液(氣-液-固)接觸與反應(yīng)裝置,具有結(jié)構(gòu)簡單、傳質(zhì)傳熱快、混合均勻、無移動部件及操作維護費用低等優(yōu)點,在化工、環(huán)境、生化、能源等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。工業(yè)費托合成漿態(tài)床底部安裝有氣體分布器,其性能決定著氣泡初始尺寸和流動參數(shù)的初始分布；內(nèi)部還安裝有密集的換熱列管束來移除大量的反應(yīng)生成熱,列管的存在顯著影響著床內(nèi)的流體流動和傳熱傳質(zhì)規(guī)律,給反應(yīng)器的設(shè)計與放大增加了很大的困難。因此,針對大型鼓泡塔的氣體分布器和換熱列管內(nèi)構(gòu)件開展有關(guān)的流體力學(xué)研究,對這兩類重要內(nèi)構(gòu)件的設(shè)計以及反應(yīng)器的放大都具有重要的應(yīng)用價值。然而,迄今為止的文獻中關(guān)于鼓泡塔的流體力學(xué)研究大部分針對的是低氣速、小塔徑及無內(nèi)構(gòu)件、充分發(fā)展段的情況,關(guān)于高氣速、大塔徑、含密集列管內(nèi)構(gòu)件的流體力學(xué)研究還很不充分,在分布器與密集列管束耦合作用下的鼓泡塔內(nèi)流動規(guī)律還沒有得到明確的認識。有鑒于此,本論文將針對高氣速湍動鼓泡流型下的大型鼓泡塔內(nèi)分布器布氣方式和列管內(nèi)構(gòu)件的配置對流動的發(fā)展、流動參數(shù)分布的影響開展研究,采用實驗測量及計算流體力學(xué)(CFD)兩種方法系統(tǒng)地研究空塔及帶內(nèi)構(gòu)件的鼓泡塔內(nèi)流體流動規(guī)律,建立相應(yīng)的鼓泡塔流體力學(xué)模型,用于反應(yīng)器模擬與內(nèi)構(gòu)件設(shè)計。論文內(nèi)容包括以下幾個方面：1.布氣方式對鼓泡塔流動影響的實驗測量 采用電導(dǎo)探針和Pavlov管在外徑800111111(內(nèi)徑760mm)無列管的大型鼓泡塔冷模實驗裝置內(nèi)測量了不同表觀氣速(0.08～0.62m·s-1)、三種布氣方式(均勻布氣、中心布氣及近壁布氣)情況下的平均氣含率、不同軸向高度的局部氣含率、軸向液速以及液相脈動速度的徑向分布規(guī)律。實驗表明,在無內(nèi)構(gòu)件的空塔內(nèi)分布器的影響只限于約3倍塔徑的局部范圍,塔中上部存在一個流動參數(shù)分布與布氣方式和塔高無關(guān)的充分發(fā)展段；但分布器產(chǎn)生的初始分布沿塔高的發(fā)展受到布氣方式、表觀氣速及塔徑的影響：均勻布氣與中心布氣時流動發(fā)展比近壁布氣快；同時表觀氣速越大,塔徑越小,流動發(fā)展越迅速。2.布氣方式對鼓泡塔流動影響的CFD模擬建立了基于雙氣泡模型的三相(液相、大氣泡相以及小氣泡相)流體力學(xué)模型,對不同布氣方式下的鼓泡塔內(nèi)流動進行了模擬,計算的氣含率、軸向液速以及脈動速度的三維分布與實驗結(jié)果符合良好。模型反映了大小氣泡由于受到的橫向作用力方向不同,在塔內(nèi)將產(chǎn)生分離過程：大氣泡富集在中心區(qū)而小氣泡富集在近壁區(qū)。這種分離機制對氣含率的非均勻分布以及塔內(nèi)流動的發(fā)展有重要的影響。雙氣泡模型能夠預(yù)測不同塔徑鼓泡塔的流體力學(xué)規(guī)律,反映分布器影響區(qū)隨著塔徑增大而延長的現(xiàn)象。3.布氣方式對列管塔內(nèi)流動影響的實驗研究在(?)800 mm鼓泡塔內(nèi)測定了不同布氣方式、列管密度以及表觀氣速下的氣含率、液速以及液相脈動速度的三維分布,發(fā)現(xiàn)列管塔與空塔的流動規(guī)律截然不同：空塔中氣體分布器的影響是局部性的,而列管塔中卻是全局性的,流動參數(shù)的初始分布決定著其全塔分布,分布器影響區(qū)貫穿全塔,不同布氣方式產(chǎn)生的流動規(guī)律完全不同,塔內(nèi)未觀察到充分發(fā)展段存在的跡象。大型列管塔中的這些實驗現(xiàn)象刷新了對列管塔內(nèi)流動圖案的認識,凸顯了氣體分布器在列管塔放大設(shè)計中的重要性。4.布氣方式對列管塔內(nèi)流動影響的CFD研究將列管內(nèi)構(gòu)件對流體的作用體積平均化,考慮為兩相流體力學(xué)方程中的動量源項、湍流動能源項以及湍流耗散源項,同時對升力系數(shù)進行修正以描述列管對氣泡橫向運動的影響。模型計算的氣含率、液速以及液相脈動速度徑向分布與實驗值大體相符。模型能夠反映小塔徑列管塔內(nèi)分布器影響區(qū)延長、充分發(fā)展段中流動趨于陡峭的現(xiàn)象,同時也能描述大型列管塔中初始分布的發(fā)展。根據(jù)模型,可以理解大型列管塔內(nèi)充分發(fā)展段消失的原因是：一方面,列管對湍流的抑制引起湍流粘度降低,而且在大塔徑內(nèi)湍流粘度的降低更為顯著,導(dǎo)致流動沿塔高的發(fā)展減慢；另一方面,高氣速下列管對大氣泡橫向運動的阻礙使得氣泡由空塔內(nèi)的螺旋式上升變成列管塔內(nèi)的直線式上升,傾向于保持初始的氣含率與速度分布。5.針翅列管塔內(nèi)流體力學(xué)的研究提出采用針翅列管內(nèi)構(gòu)件技術(shù)來強化傳熱,同時降低列管塔內(nèi)分布器影響的敏感性。實驗測量了針翅列管塔內(nèi)不同布氣方式下鼓泡塔內(nèi)流動參數(shù)的分布,發(fā)現(xiàn)針翅列管具有流動穩(wěn)定器的功能,能夠在一定程度上改善列管塔內(nèi)流動參數(shù)的不均勻分布,緩解分布器影響過于敏感的現(xiàn)象。實驗還發(fā)現(xiàn),針翅列管的非均勻布置將引起塔內(nèi)的氣體短路現(xiàn)象,而光滑管的非均勻布置對塔內(nèi)流動影響不大。6.列管約束下氣泡運動規(guī)律的CFD模擬采用流體體積元(VOF)模型對受列管約束的氣泡運動規(guī)律進行模擬,揭示列管內(nèi)構(gòu)件的“壁面效應(yīng)”,結(jié)果表明列管密度、列管布置方式及列管直徑對不同大小氣泡的運動軌跡、形狀、浮升速度、破碎以及湍動行為的影響顯著,從氣泡運動角度進一步認識列管的空間限制作用,有助于理解列管塔中宏觀大尺度的兩相流動規(guī)律。
【關(guān)鍵詞】：大型鼓泡塔 流動發(fā)展 布氣方式 列管內(nèi)構(gòu)件 CFD 氣泡運動
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TQ052
【目錄】：

• 致謝5-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-15
• 符號說明15-17
• 1 引言17-20
• 2 文獻綜述20-46
• 2.1 鼓泡塔內(nèi)流體力學(xué)實驗研究20-30
• 2.1.1 流型劃分20-21
• 2.1.2 氣含率21-25
• 2.1.3 液相平均速度與脈動速度25-28
• 2.1.4 氣泡特性28-30
• 2.2 鼓泡塔流體力學(xué)CFD模型30-37
• 2.2.1 氣液兩相連續(xù)性方程與動量方程30-31
• 2.2.2 氣液相間作用力31-34
• 2.2.3 兩相湍流模型34-36
• 2.2.4 群體平衡模型36-37
• 2.3 氣體分布器37-41
• 2.3.1 分布器的類型與設(shè)計37
• 2.3.2 分布器影響區(qū)與流動的發(fā)展37-39
• 2.3.3 分布器對流動的影響39-41
• 2.4 垂直列管內(nèi)構(gòu)件41-44
• 2.4.1 列管傳熱系數(shù)測量41-42
• 2.4.2 列管對流動的影響42-43
• 2.4.3 列管影響的模型研究43-44
• 2.5 本文工作內(nèi)容44-46
• 3 實驗裝置及測量方法46-54
• 3.1 實驗裝置46-48
• 3.2 測量方法48-50
• 3.2.1 電導(dǎo)探針48-49
• 3.2.2 Pavlov管49-50
• 3.3 數(shù)據(jù)處理及誤差估計50-54
• 4 布氣方式對無列管的鼓泡塔流動影響的實驗研究54-72
• 4.1 實驗內(nèi)容54
• 4.2 平均氣含率54-55
• 4.3 局部氣含率55-60
• 4.3.1 表觀氣速的影響55-56
• 4.3.2 軸向高度的影響56-58
• 4.3.3 布氣方式的影響58-60
• 4.4 軸向液速60-65
• 4.4.1 表觀氣速的影響60-61
• 4.4.2 軸向高度的影響61-63
• 4.4.3 布氣方式的影響63-65
• 4.5 液相脈動速度65-70
• 4.5.1 表觀氣速的影響65-66
• 4.5.2 軸向高度的影響66-68
• 4.5.3 布氣方式的影響68-70
• 4.6 空塔的放大效應(yīng)70-71
• 4.7 小結(jié)71-72
• 5 布氣方式對無列管的鼓泡塔流動影響的CFD模擬72-87
• 5.1 雙氣泡徑向力平衡模型72-74
• 5.1.1 模型方程72-73
• 5.1.2 相間作用力本構(gòu)關(guān)系73-74
• 5.2 模型求解方法74-75
• 5.3 結(jié)果與討論75-85
• 5.3.1 氣含率75-77
• 5.3.2 流體速度77-80
• 5.3.3 湍流動能80-81
• 5.3.4 氣泡橫向作用力分析81-82
• 5.3.5 與單氣泡模型比較82-84
• 5.3.6 空塔放大效應(yīng)的模擬84-85
• 5.4 小結(jié)85-87
• 6 布氣方式對帶列管的鼓泡塔流動影響的實驗研究87-105
• 6.1 實驗內(nèi)容87-88
• 6.2 平均氣含率88-89
• 6.3 局部氣含率89-95
• 6.3.1 表觀氣速的影響89-90
• 6.3.2 列管密度的影響90-91
• 6.3.3 軸向高度的影響91-94
• 6.3.4 布氣方式的影響94-95
• 6.4 軸向液速95-99
• 6.4.1 表觀氣速的影響95-96
• 6.4.2 列管密度的影響96-97
• 6.4.3 軸向高度的影響97-98
• 6.4.4 布氣方式的影響98-99
• 6.5 液相脈動速度99-103
• 6.5.1 表觀氣速的影響99-100
• 6.5.2 列管密度的影響100-101
• 6.5.3 軸向高度的影響101-102
• 6.5.4 布氣方式的影響102-103
• 6.6 分析與討論103-105
• 7 布氣方式對帶列管的鼓泡塔流動影響的CFD模擬105-120
• 7.1 密集列管束的多孔介質(zhì)模型105-107
• 7.1.1 模型方程105-106
• 7.1.2 列管束源項本構(gòu)關(guān)系106-107
• 7.1.3 升力系數(shù)的修正107
• 7.2 模型求解方法107
• 7.3 結(jié)果與討論107-119
• 7.3.1 氣含率108-109
• 7.3.2 軸向液速109-111
• 7.3.3 湍流動能111-113
• 7.3.4 列管影響項的敏感性分析113-115
• 7.3.5 列管塔中分布器影響區(qū)放大效應(yīng)的討論115-119
• 7.4 小結(jié)119-120
• 8 帶針翅列管的鼓泡塔流體力學(xué)研究120-136
• 8.1 實驗內(nèi)容120-121
• 8.2 平均氣含率121-122
• 8.3 局部氣含率122-127
• 8.3.1 表觀氣速的影響122-123
• 8.3.2 列管類型的影響123-124
• 8.3.3 軸向高度的影響124-126
• 8.3.4 布氣方式的影響126-127
• 8.4 軸向液速127-131
• 8.4.1 表觀氣速的影響127-128
• 8.4.2 列管類型的影響128-129
• 8.4.3 軸向高度的影響129-130
• 8.4.4 布氣方式的影響130-131
• 8.5 液相脈動速度131-133
• 8.5.1 表觀氣速的影響131-132
• 8.5.2 軸向高度的影響132-133
• 8.6 列管非均勻布置的影響133-135
• 8.7 小結(jié)135-136
• 9 氣泡在密集列管約束下的運動規(guī)律模擬136-148
• 9.1 氣泡在管內(nèi)與管道間浮升的“壁面效應(yīng)”136
• 9.2 數(shù)學(xué)模型136-137
• 9.3 模型求解方法137-138
• 9.4 網(wǎng)格無關(guān)性及模型驗證138-139
• 9.5 結(jié)果與討論139-146
• 9.5.1 氣泡軌跡139-141
• 9.5.2 氣泡形狀141-142
• 9.5.3 氣泡上升速度142-144
• 9.5.4 氣泡破碎及湍動行為144-146
• 9.6 小結(jié)146-148
• 10 結(jié)論及展望148-150
• 10.1 結(jié)論148-149
• 10.2 展望149-150
• 參考文獻150-161
• 作者簡介161

【參考文獻】

中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 張煜;湍動鼓泡塔充分發(fā)展段的流體力學(xué)與內(nèi)構(gòu)件技術(shù)研究[D];浙江大學(xué);2011年

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本文編號：936123