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阻力系数对固—液搅拌槽内流动特性影响的数值模拟

莫君媛  
【摘要】:固-液两相流是各个工业领域中应用最为广泛的体系,两相流系统本身比较复杂,既有连续相又有分散相,且两相之间相互作用,相互影响[1]。 相对于单相流,由于测试手段的限制,两相流的研究还不充分,很多工程的设计、反应器的放大都是基于实验和经验数据。近年来,除了对两相体系进行深入、系统的理论分析和实验研究外,越来越多的科研人员对基于数学模型的数值模拟展开了研究。数值模拟可以降低研究成本,同时也能得到更多的关于流动特性的详细信息。另一方面,数值模拟计算可以有效地求解两相流体系流动的偏微分方程模型,以认识两相体系的流体力学过程机理。 多相流模拟中相间作用力的表达多基于对单个颗粒在液体中的受力情况研究,但对于高浓度分散相体系来说,对颗粒群的认识和研究则显得极为重要,目前这方面的研究还很不充分。目前多数研究认为曳力在两相相互作用过程中占据主导地位,在模拟计算过程中只有当分散相颗粒密度小于连续相流体密度时,考虑附加质量力、横向升力才有意义,因此本工作中,只考虑曳力,忽略其他相间作用力。不可否认的是,单颗粒受力及运动行为的研究是认识颗粒群行为的基础,但是如何将单颗粒运动的规律准确放大应用于宏观尺度的多相流动是目前多相流数值模拟的难点和关键所在。 本文研究了不同曳力模型对固-液搅拌方槽内流场特性模拟结果的影响。采用CFD自带的Schiller Naumann、Wen Yu曳力模型及修正后的HKL模型,计算了固体颗粒浓度在0.2%-15%范围内变化时的液相时均流场及固体颗粒浓度对速度衰减的影响。研究结果表明:Schiller Naumann和Wen Yu曳力模型在预测近壁面流场及速度衰减情况的精准性较差,和实验相差较大。HKL模型在颗粒浓度0-5%范围内得到了和实验近壁区相近的速度分布及衰减趋势。在低浓度(5%)固-液体系模拟结果和实验结果非常接近的基础上,本文预测了颗粒浓度为10%和15%时近壁面时均速度场分布及液相速度衰减情况, HKL曳力模型模拟得到的轴向速度和颗粒浓度之间的关系在近壁7mm和近壁2mm分别为v/v1.35tip (1和v/vt ip (12.49,和文献值比较接近。模拟了直径为476mm圆柱形槽内叶轮区和近壁区速度分布和衰减趋势和文献实验数据进行对比,研究的颗粒浓度为15%和25%。在叶轮区和近壁区,和CFX自带的用于高浓度分散相Gidaspow阻力模型相比,HKL模型计算得到的轴向速度分布和衰减幅度均和实验更为接近。


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