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搅拌反应器内液—液分散特性的CFD-PBM数值模拟

李东岳  
【摘要】:液-液搅拌反应器被广泛应用于冶金、化工、制药等行业中,是促进相间混合、传质、传热,实现萃取、结晶、分散等过程的重要工业设备。计算流体力学(CFD)在用于研究液-液分散体系的过程中,由于相间耦合及液滴破碎和聚并的复杂性,现有模型很难对其进行精准的预测。为此,本文结合CFD和群体平衡模型来对搅拌反应器内的液-液分散体系进行深入研究,研究结果可为大型液-液搅拌反应器的优化设计提供参考和指导。本文对CFD中的可压缩双流体模型进行详细分析,结合群体平衡模型求解方法中的积分矩方法(QMOM)和拓展积分矩方法(EQMOM),对控制方程中的压力泊松方程、矩传输方程等进行重构优化,实现了并行求解稳定性、相分数的有界性及守恒性、矩的有界性及可实现性,同时将CFD与群体平衡模型耦合并植入到OpenFOAM中,模拟结果和实验数据吻合。表面活性剂会直接影响液-液分散体系内的液滴破碎和聚并行为。本文选用QMOM求解群体平衡模型并结合CFD对附加表面活性剂的液-液分散体系进行研究。研究结果表明表面活性剂使得液滴聚并行为难以发生,MB和Lehr破碎模型的预测平均Sauter直径和实验数据偏离较大,改进后的MF破碎模型预测的平均Sauter直径可以和实验数据较好的吻合且优于CT和Alopaeus破碎模型的预测结果。对于低离散相相含率的液-液分散体系,由于液滴碰撞的可能性较小以致聚并行为很难发生。本文从文献中选取不同的实验数据,使用不同的破碎模型研究离散相粘度及放大效应对液滴破碎的影响。CT破碎模型假定液滴的破碎频率主要取决于湍流动能耗散率。MF破碎模型认为液滴的破碎频率和湍流动能耗散率、湍流动能、湍流尺度以及其他的流体属性均相关。研究结果表明CT破碎模型不能够捕获湍流间歇性以及离散相粘度引起的液滴平均Sauter直径变化,MF破碎模型可以很好的捕获这种平均Sauter直径的差异。当离散相相含率增加时,液滴之间的破碎以及聚并过程同时存在。离散相相含率对液滴聚并过程的影响可通过“湍流阻尼因子”来实现。本文选取文献中不同的中等离散相相含率的液-液分散体系,结合CT和MF模型对液滴的破碎及聚并过程进行研究。研究结果表明基于连续数量密度函数的log-normal EQMOM优于常规的QMOM方法,CT模型预测的破碎和聚并过程较为迅速,MF模型预测的破碎和聚并过程较为动态且更好的反映了平均Sauter直径实验数据的动态变化过程。湍流阻尼因子的引入也有助于使得模拟结果更加准确。


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