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湍流方腔内单气泡传质的实验研究与数值模拟

蒋志超  
【摘要】:气液两相流动广泛地存在于化工过程中,例如蒸馏、发酵、污水处理和鼓泡塔反应器。多气泡流动经常用来强化反应器的传热速率和传质速率,因此气泡的分散程度以及气泡的运动速度就和反应器的性能直接相关。前人的大量气液传质研究都是在气泡群中进行的,研究重点是建立体积传质系数kLa与流场性质、通气速率以及气含率的关系。而许多物理和力学因素都对液相传质系数kL和特征比表面积a有影响,为了更清楚地解释气液两相传质机理,研究流场特性和气泡运动对kL的影响尤为重要。本文在湍流方腔中进行了单气泡的传质实验,测量了氧气与亚硫酸钠溶液之间的传质系数。使用一个高速相机记录气泡运动的图像,通过分析气泡体积随时间的变化计算了单个氧气泡在湍流方腔中的传质系数,分别研究了温度和流体流量对传质系数的影响,发现气液两相的反应传质系数的数量级为10-4m s-1,且随着温度的升高而增加,随着流量的增加而增加,且传质增强因子的范围是2.0-3.5,且随着液体雷诺数的增加而增加。使用二维粒子图像测速(PIV)测量了方腔内的单相流场和气液两相运动流场,发现气泡的存在对流体运动有阻碍作用。在获得气泡速度和流场速度之后,计算了气泡的滑移速度,结果表明滑移速度是影响气液两相传质的主要因素。将传质系数的实验值与经典模型的计算值相比较,发现传质系数介于Frossling模型和Higbie模型的预测值之间,且气泡雷诺数变大时,传质系数会接近Higbie模型和Clift模型的预测值。分别比较了气泡雷诺数和液体雷诺数对传质系数的贡献,发现气泡雷诺数占主导因素。为了获得方腔内的三维流场和更深入地研究气液两相运动,本文使用Fluent软件对方腔中的单相流场和气液两相运动进行模拟研究。比较了三种不同的湍流模型,发现大涡模拟(LES)预测的流体速度,均方根速度和湍动能均与实验值较吻合,表明LES能够很好的预测方腔中的湍流旋涡流场。两相模拟中,使用LES和VOF模型预测了方腔中的气泡运动特性,发现其能够较准确的模拟湍流流场中的单气泡运动,包括气泡速度和气泡滑移速度。使用不同的传质模型预测了气泡在方腔内运动的传质系数,发现半经验模型的预测值与实验值较接近。


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