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挡板型管式振荡流反应器流场非对称性的数值研究

吴永文  
【摘要】:在挡板型管式反应器内引入振荡流动能够在宽广的净流率范围里显著强化动量、热量和质量传递过程,并能对轴向返混现象进行良好的控制。由于绝大多数发表的研究工作都是基于二维模拟技术,因此人们对于这一流动过程的三维场结构知之甚少。 本文对实验观察到的挡板型管式反应器中振荡流场的非对称现象进行了系统的三维数值模拟研究。研究工作采用了层流和湍流两类模型,覆盖了100~5000的振荡雷诺数(Re_o)范围。在模拟中发现,对于完全对称的边界条件,流场从轴对称模式过渡到非对称模式的转变依赖于模拟计算所采用的数值技术:采用结构化网格进行计算时发生转变的起始Re_o远大于采用非结构化网格时。实验过程中发生的转变现象的起始点依赖于模拟所采用的数值技术,这显然是不合理的。基于模拟研究结果,我们推论:在对称边界条件下数值模拟中所出现的流场非对称性来源于计算误差的非对称积累,而在实验过程中所观察到的非对称性则源自于实验装置几何结构上不可避免地存在的轻微非对称性。为了考察此类轻微非对称性的影响作用,本文采用变时间步长的有限体积元法及结构化网格研究了挡板偏心度和振荡边界倾斜度的影响效果。结果表明,无论是在层流态还是在湍流念,以上两个因素对流动模式的非对称性都具有明显的影响。


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