基于EMMS方法的鼓泡塔反应器CFD及群平衡模拟

作     者：王珏 

作者单位：中国科学院大学(中国科学院过程工程研究所) 

学位级别：硕士

导师姓名：杨宁

授予年度：2017年

学科分类：080706[工学-化工过程机械] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：计算流体力学 气液两相流 群平衡模型 鼓泡塔 气泡尺径分布 

摘      要：鼓泡塔反应器因其结构简单,产能大,易操作,良好的传质传热特性,而被广泛的应用于传统化工、石油化工和生物化工等过程,例如氧化过程、费-托合成、生物发酵、废水处理等。不同工艺条件下鼓泡塔内部流型变化、气液两相相互作用是典型的多尺度问题。鼓泡塔中多尺度现象的深入研究对工业生产中反应器的逐级放大、结构设计、操作优化都有重要的意义。随着计算机技术的发展和计算流体力学(Computational Fluid Dynamic,CFD)模型的成熟,使用数值模拟方法研究鼓泡塔内部气液流动状态成为化工流体力学的重要研究手段。气泡粒径作为两相流(Two Fluid Model,TFM)模型的输入参数对模拟结果的准确度有着重要意义。鉴于此,本文的主要目标是研究气泡尺径因素对高气速工况条件下鼓泡塔内气液CFD模拟结果的影响,以及基于能量最小多尺度(Energy Minimization Multi-Scale,EMMS)方法的群平衡(Population Balance Model,PBM)模型模拟气泡尺径分布中的应用。主要内容如下:第1章综述了鼓泡塔反应器理论研究与实验成果,以及近年来计算流体动力学模拟的发展和群平衡理论在鼓泡塔反应器中的应用,最后介绍了能量最小多尺度(EMMS)模型和EMMS-PBM耦合方法。第2章简要介绍计算流体力学耦合群平衡模型的基本设置,采取了Gambit软件进行网格划分,选取了针对本文体系的相间作用力模型和湍流模型等参数对鼓泡塔反应器进行建模。第3章中研究了基于EMMS模型修正的PBM模型对模拟结果的影响,将其与未修正的PBM模型以及均一气泡尺径模型进行对比。研究发现考虑了介尺度能量耗散的PBM模型对气泡尺径分布的模拟结果有很大的改善作用,气泡尺径的不同描述方法对气液两相流的模拟起到了明显的影响。第4章、第5章的研究进一步补充了气泡尺径对鼓泡塔研究的影响提供了相应的补充,讨论了采用均一气泡法初始气泡尺径设置以及曳力模型对气含率和轴向液速的影响。讨论了 PBM模型对高气速下气泡尺径鼓泡塔轴向和径向位置非均匀分布,对比了不同群平衡聚并核函数修正因子对气泡尺径、气含率,轴向液速等结果的影响。最后,第6章进行了总结与展望。