基于动态调节的撞击流反应器流场特性分析

作     者：安丰元 

作者单位：沈阳化工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张建伟

授予年度：2022年

学科分类：081704[工学-应用化学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 081701[工学-化学工程] 

主      题：撞击流 动态调节 数值模拟 湍流 湍流强度 混合强度 

摘      要：撞击流反应器因其具有良好的混合与传热传质性能,在化工单元操作中被广泛应用。但撞击流反应器内流动机理过于复杂,因此探究撞击流反应器内流场特性以及设计和开发新型撞击流反应器对发挥工业应用潜力具有重要价值。动态射流相比于稳态射流能够强化流场内的扰动,因此近年来动态射流被广泛应用在不同形式的反应器中。本文在传统稳态对称水平同轴撞击流反应器的基础上,设计了新型动态非对称撞击流反应器。通过设置两侧入口速度流型,使反应器左右入口速度周期性变化,实现对撞击流反应器的动态调节。本文利用实验与数值模拟方法对动态撞击流反应器进行研究,分析不同阶跃与正弦动态入口条件下撞击流反应器内的流场特性与混合特性,并与稳态对称撞击流反应器进行对比,具体研究内容如下:(1)利用二维高速激光粒子图像测速技术(TR-PIV)对动态撞击流反应器内部流动情况进行分析,得到动态撞击流反应器内撞击面运动规律,流体流动状况以及涡漩分布。研究表明,动态入口条件下,撞击面呈周期性往复移动,撞击流反应器内流体更加混乱无序,涡漩更多。动态调节撞击流能够增强反应器内流动缓滞区域的扰动,有利于混合。(2)利用FLUENT对动态撞击流反应器流场进行数值模拟,对比分析动态与稳态条件下撞击流反应器内速度场、压力场、湍流特性以及流场特征。分析发现,相比于稳态入口条件,动态入口条件下撞击流反应器内速度与压力分布都随着入口周期的变化而有规律地不断变化。动态非对称撞击流反应器湍流特性及能量水平均高于稳态对称撞击流反应器,流场更加无序。(3)对阶跃动态入口条件撞击流反应器流场特性进行数值分析,研究不同入口速率差及不同入口平均速率下撞击流反应器内流场的流动特征、湍流特性与混合特性。结果表明,入口速率差越大,入口平均速率越大,流场湍动越剧烈,混合效果更佳。(4)对正弦动态入口条件撞击流反应器流场特性进行数值分析,研究不同入口速率差及不同入口平均速率下撞击流反应器内流场的流动特征、湍流特性与混合特性。结果表明,入口相位差为1π时,撞击轴线上流体湍动最为剧烈,撞击平面混合强度最大。研究发现,与稳态撞击流反应器相比,动态撞击流反应器内流场更加“活跃,流场内涡漩强度更大,流场各处都存在流体的卷吸与扩散,撞击轴线上流体湍动更剧烈,流场能量水平更高。不同流型的动态入口条件均对撞击流反应器内流体湍动有促进作用。本文研究动态撞击流反应器流动特性与混合特性,为优化撞击流反应器及工业化提供理论依据。