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《大连理工大学》 2002年
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鼓泡塔气液两相流的数值模拟与实验研究

王树立  
【摘要】: 鼓泡塔反应器是重要的传热传质设备,鼓泡塔泡状流是气液两相流的一种基本流型,对泡状流进行广泛而深入的研究具有重要的科研价值和工业应用背景。 本文综述了国内外对鼓泡塔气液两相流的研究现状,通过分析指出气液两相流问题的复杂性及其模化尚存在的问题,从理论和实验两个方面对鼓泡塔内气液两相湍流进行了研究。 理论上,从两相流“局部瞬时特性”出发,采用体积平均法推导出普适的描述气—液两相流运动的体积平均方程,在此基础上对其进行湍流时平均化,得出湍流两相流基本方程。针对气液泡状流中气泡运动力学特性,在系统绝热、无内热源、忽略表面张力、气泡尺寸均一前提下建立了气液相间曳力、虚质量力、升力的数学模型表达式。根据Eulerian体平均原理,对局部瞬时RNG κ-ε模型方程进行平均化处理,经过数学演绎首次得出气液两相湍流RNG κ-ε模型,并在模型中考虑了相间作用对液相湍流动能及耗散的影响。 采用有限差分中的有限容积积分法将偏微分方程组离散为可用于数值计算的代数方程组。采用SIMPLEST法来解决速度与压力强耦合问题。应用交错网格系统成功地解决了压力梯度离散的问题。在迭代方法上选用ADI法将两次行列扫描组成一轮迭代。应用低松弛技术解决求解的收敛问题。采用全隐式及源项的线性化技术有利于收敛。数值求解采用IPSA算法。 实验上,设计制造了鼓泡塔气液两相流动循环系统。鼓泡塔模型用有机玻璃制作,几何尺寸为200×4.2×2000(内径×壁厚×塔高)。用LDV测量液相时均速度、湍动速度和雷诺应力,用PIV测量含气率和气泡运动速度。并着重研究了气体分布器形式对流场的影响。 按照实验条件对鼓泡塔中气液两相流进行了模拟。鼓泡塔内轴向液相速度的径向分布呈塔中心峰值、壁面附近倒流形式,且与气相折算速度大小有关,当液相折算速度一定时,随气相折算速度增大而愈加陡峭,返混也剧烈。径向液相速度既与气相折算速度有关又与位置高度有关,在塔底部呈现负值,这意味着向塔轴心方向流动。随着塔高增加,流动方向逐渐转变为向塔壁方向,且有明显的峰值。 气体分布器通气孔数目对气液两相流场影响很大。同样条件下通气孔数越多, 大连理工大学博士论文 流场越平缓,当表观液速与表观气速之比小于19.6时,返混区总是存在,且返混 区大小与高度有关。当表观液速与表观气速之比大于19.6时,返混消失,含气率 分布白塔中心峰值转向壁面峰值。 剪切层位置与塔高以及气体分布器形式有关。高度增加剪切层位置向塔壁靠 近;分布器气孔数目越少,剪切层高壁面越远,返混区越大。 模拟结果与实验结果吻合较好,证明本文所用模型是合理的。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2002
【分类号】:TQ021

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【引证文献】
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