基于CFD的流体力学实验教学探索与实践

流体力学实验是资源循环科学与工程专业实验课程中的必修项目。在实验教学过程中,将流体力学的数值模拟技术与实验测试技术相结合,可以加深学生对流体力学理论知识的理解。以圆柱绕流尾涡流场可视化实验为例,利用基于COMSOL仿真软件开发的CFD模拟App,可完成物理建模、网格划分、变参数仿真等数值模拟内容,并可以通过流速云图、压力云图、流线图等模拟结果对卡门涡街脱落频率进行分析,从而增强学生对流体力学理论知识及相关参数物理意义、变化特征的理解,提高学生的实验参与度,使学生掌握基本的理论知识。将CFD模拟与实验测试技术相结合进行教学,可以极大地提升学生的学习兴趣和求知欲,有效提高教学水平和教学质量。

流型和进料位置对连续搅拌釜混合过程的影响

对应用于聚丁烯聚合反应中连续搅拌釜内的流体流动进行了模拟计算,研究桨叶组合形式、不同进料位置及搅拌转速对流场、搅拌功率、混合时间和停留时间分布的影响规律。研究结果表明:搅拌器为MKW+3DMK时,流速分布更加均匀,而搅拌功率相比于单一桨叶的更大。当采用4UMK搅拌器时,进料位置在第1层和第2层桨叶之间投料混合效果好;当采用4DMK和MKW+3DMK搅拌器时,进料位置在第4层桨叶附近投料混合效果好。此外,桨叶组合和搅拌转速对物料平均停留时间影响较小,釜内流体流动状态接近全混流。这些研究结果可为聚丁烯连续聚合反应釜桨叶结构和进料位置的设计优化提供一些理论指导。

用摄影-图像分析法对三相流化床中气泡行为的研究

本文利用35mm 普通摄影机拍摄了300×20×2000mm 的二维床中多气泡的运动行为,并用图像分析仪对摄影胶片进行了分析处理,得到了各个气泡大小、运动速度及所处座标位置。并对大量气泡运动特性进行了统计研究。结果表明采用这一方法能够准确地定量描述流化床中气泡群运动的整体特性,为深入研究、描述气泡的运动规律打下了基础。

导流筒结构对气升式环流反应器内气液两相流动的影响

使用欧拉-欧拉两流体模型研究了导流筒结构对气升式环流反应器内气液两相流动的影响。对物理模型进行了网格独立性的考察,使用Chisti关系式验证计算流体力学数值模型的可靠性,并在此基础上预测环己烷氧化反应器内导流筒直径、导流筒在反应器内的高度以及导流筒喇叭口的开度对反应器内气液两相流动的影响。模拟结果表明,导流筒上部增加喇叭口可有效提高反应器的气液分离能力,喇叭口直径增大,气液分离效果增强;导流筒直径增大,液相循环量增大,液相混合效果增强;随导流筒在反应器内的位置升高,液相表观速度和液相循环量呈增加的趋势并趋于稳定,而气含率则变化不大。

气升式环流反应器内气液两相流动计算流体力学的模拟

采用欧拉-欧拉两流体模型模拟了气升式环流反应器内部气液两相流动过程,考察了液相速度和气含率随表观气速的变化,液相速度和气含率模拟值的关系与两种经验关系式的计算值进行了比较,两者取得了很好的一致,证明了模型的正确性。在此基础上,使用计算流体力学模拟的方法考查了反应器内的导流筒直径和导流筒高度对反应器内两相流动的影响,导流筒直径增大,液相循环量增大,上升段气含率增大;导流筒位置升高,液相循环速度和循环量均增大,上升段气含率减小。所获得的结果对气升式反应器的设计优化具有指导意义。

气体分布器结构对气升式环流反应器内气液两相流动的影响

使用欧拉两流体模型研究气体分布器结构对气升式环流反应器内气液两相流动的影响,预测了环己烷氧化反应器内单环结构、三环结构、五环结构的气体分布器时反应器内液相速度分布、气含率分布、液相循环速度以及液相微观混合特性。模拟结果表明,在等量的进气流量下,气体分布器环数增加,液相速度分布和气含率分布更趋均匀;气体分布器环数增加,液相推动力增加,从而使得液相循环速度增加,液相的宏观混合效果增强;气体分布器环数增加,导流筒内外的平均气含率增加。随机游走模型模拟结果表明,气升式环流反应器与普通鼓泡床反应器对气体分布器结构要求不同。

气升式内环流反应器的气含率研究

建立了气升式内环流反应器的冷模实验装置,以空气-水两相系统为研究对象,采用压差法测定了反应器降流区的气含率和升流区气含率,采用体积膨胀法测定了反应器总体平均气含率。通过改变导流筒直径、高度及底部封头形状,考察了结构参数对气含率的影响;通过改变通气量和上清液高度考察了操作参数对气含率的影响。建立了气含率的数学模型,并将试验数据拟合,得到不同结构反应器的模型参数。

径向流固定床反应器的流动特性研究及结构参数的合理选择

径向流固定床反应器的操作状态和反应效果在很大程度上取决于反应器内穿越催化剂床层径向气流沿反应器轴向分布的均匀程度,亦即床层内催化剂负荷的均布程度。本文对此类反应器内的流动特性进行了研究,建立了描述反应器内流动规律的基本运动方程。研究结果表明,径向气流的轴向分布情况与反应器的流动结构型式、反应器内分流流道与合流流道截面积的比值、催化剂床层的阻力系数以及反应器的高径比等参数有关。并提出了如何合理选择反应器结构参数的原则。

气升式环流反应器气液两相流动冷模实验

运用粒子图像测速仪(PIV)技术研究了扁平气升式环流反应器内液相流动特性,测得了反应器内各个区域液相速度分布、流线分布。认为反应器上升段表观气速对液相水平速度和垂直速度均有影响,其中对液相垂直速度的影响更大:表观气速增大,液相最大垂直速度一般增大,但这一变化规律并不是单调的;PIV对折流区的观测反映了该区域流场在气相通入后的最初25 s内的变化历程,流场发展的快慢与进气口的气速有关,气速越大,流场发展得越快。研究结果为认识该类反应器内的流动混合特性及进行该类反应器的设计、优化提供了参考。

气升式环流反应器液相流场的研究

运用粒子图像测速仪(PIV)技术测量了一拟二维气升式环流反应器内液相流动状态,避开了气液两相成像带来的图像处理困难,成功测取了时均液相速度、瞬时雷诺应力、剪切应力等在反应器下降段内的分布;考察了反应器上升段进气量和反应器液位高度对液相循环速度的影响;同时,对反应器三个具有代表性的流动部分进行了观测,获得了该反应器内液相流场具有代表性意义的速度分布图。研究结果为认识该类反应器的性能及进行反应器设计、优化提供了有价值的参考信息。

气升式环流反应器流动特性的数值模拟

应用Fluent计算流体力学软件,通过数值模拟的方法考察了气升式环流反应器内导流筒直径、导流筒高度、导流筒安装高度以及液相进口速度对反应器内两相流动的影响。计算结果表明:导流筒直径增大,液相循环量和上升段气含率均增大;导流筒高度增大,液相循环速度和循环量均增大,但是当导流筒的高径比增加到6.3后,液相循环速度和循环量反而减小;导流筒安装高度增加,液相循环速度及循环量均增大,升液管气含率降低;增加液相的进口速度,虽然上升段的液速有所增加,但是降液管循环液速及循环量基本不受影响。最后计算了反应器内液相速度随进口气速的变化情况,并与实际测量值进行了比较,模拟值和测量值都表明随着进口气速的增加,液相循环速度随着进口气速的增加而增加,两者呈现良好的一致性。

挡板对Backman反应器中混合器特性的影响

利用粒子图像测速技术(PIV),对 Beckmann 重排反应器中混合器的错流射流混合过程进行了观测,获得了二维冷模装置内的流场分布信息;同时运用计算流体力学软件 FLUENT6.1模拟了三维混合器内快速射流混合过程,考察了挡板对三维混合器内流场的影响。研究结果表明,有挡板的混合器的出口浓度分布更为均匀,出口截面的未混合度σ低于0.005,远远小于临界值0.05。因此,混合腔内增置挡板对混合器的混合效果有明显改善。

平行流列管式固定床反应器管外流体的模拟

运用计算流体力学软件 FLUENT6.1对平行流列管式固定床反应器环形流道及管间流体的流动进行数值模拟。模拟结果表明,流体进入环形流道后流速急剧变化,要达到环形流道内侧壁沿圆周流量均匀分配,就必须在不同的位置开不同尺寸的孔,反应器进口挡板和分布板的设置使管间流体在进入反应器后径向分布基本均匀。建立冷模实验装置,测定流体在反应器管间不同高度同一截面上的压力分布,实验结果表明,反应器管间流体达到均匀分布。管间流体压力的模拟值与实验值相比较,两者吻合良好。

错流丙烯氧化反应器管间流动与传热

建立了丙烯氧化反应器管间流动与传热的分区计算模型,并用此模型对中心不布管型丙烯氧化反应器管间流动与传热进行了计算,并分别对占反应器直径3%,10%和20%中心区域不布管情况进行模拟,得到反应器管间冷却剂流量分布、冷却剂温度分布、管内催化剂床层温度分布以及冷却剂进出反应器的总压降。结果表明:对反应器进行中心不布管,可以改善反应器中心区域传热;增大不布管区域大小,可以降低反应器中心区域管内催化剂床层热点温度;不布管区域控制在10%～25%,可以使反应器热点径向温差维持在较小的水平;不布管区域越大,布管区域有效面积越小;对直径4.6 m反应器中心10%区域进行不布管较为合适。

并流列管反应器冷却介质的流动与均布

建立了并流列管反应器管外冷却介质流动的计算模型,对不同直径反应器分流室、集流室中流体压力分布、分布板上小孔分布以及环隙孔孔径进行了研究。结果表明:随着反应器直径增大,分流室、集流室中流体压降增大,分布板上环隙孔孔径减小。过小的环隙孔间隙成为反应器加工和装配的瓶颈。增大反应器分流室和集流室高度,对反应器中心进行不布管,可降低反应器分流室和集流室中流体压降,增大分布板上环隙孔间隙。对直径较大的反应器,可同时采用在反应器中心进行不布管以及增大反应器分流室和集流室高度的方法来降低分流室和集流室中流体压降,使分布板上环形孔间隙不致过小。

螺旋气升式内环流反应器流动特性

以水和空气两相系统为研究对象,建立螺旋气升式内环流反应器冷模实验装置,采用压差法测定导流筒升流区气含率,用电导法分别实测了升流区液相速度和反应器混合时间,研究螺旋气升式内环流反应器的流动特性,并与传统气升式内环流反应器的流动特性进行对比研究。结果表明,加螺环后反应器气含率明显增加,平均增幅为20%,升流区液相表观速度减小,混合时间增加。

镁电解槽冷模流场的PIV测试研究

设计了与工业镁电解槽几何结构相似的冷态模型电解槽。在该模型电解槽中通过电解浓度为1mol/L的硫酸锌水溶液,产生的氧气与硫酸锌溶液组成两相流体系,以此来模拟研究工业镁电解槽中氯气-电解质-液态镁(简化为气-液两相流)的运动规律。利用激光粒子测速仪PIV测试了模型电解槽内的流场分布,考查了模型电解槽的结构因素包括阴阳极间的距离、隔墙与电极的距离和阳极浸没深度对模型电解槽流场分布的影响。研究结果表明:极距、隔墙与电极的距离对流场的影响较大,阳极浸没深度对流场的影响较小。实验中最佳的槽型结构为极距2 cm,隔墙与电极的距离0.7 cm,阳极浸没深度11.5 cm。

液相苯加氢反应的内扩散阻力分析

采用NCG工业新型苯加氢催化剂（Ni/Al2O3）,通过消除外扩散和内扩散影响,在反应温度433-473 K和氢压0.6-3.3 MPa下,对液相苯催化加氢制环己烷的反应动力学进行了研究。结果表明,液相反应中苯的反应级数为0,氢的反应级数几乎为1,因此氢在催化剂内的传质过程是形成内扩散阻力的主要原因。由内部效率因子和Thiele模数可知,粒径小于0.150 mm时才能消除内扩散影响,说明该催化剂具有较高本征反应活性。通过Thiele模数的定义式,求得氢液相有效扩散系数。由Wilke-Chang方程得到综合扩散系数,进而通过Thiele模数定义式求得催化剂曲节因子为3.12。通过模拟得到液相中氢在不同粒径颗粒内的浓度分布曲线,说明氢的内扩散阻力是苯加氢反应的控制因素。

二醋酸纤维干燥动力学模型

以研究二醋酸纤维干燥动力学为目的,实验测定了空气温度55￣75℃,单位物料量2￣4kg/m2,物料初始含水量37%￣126%,三水平三因素对干燥速率的影响。通过模型比较,得出适合二醋酸纤维的干燥模型为Page方程,模型计算值与实验值吻合较好。该模型可用来预测二醋酸纤维在干燥过程中的水分变化。

错流列管式反应器管间流动与传热的CFD模拟

为保证管间换热介质的均匀流动,利用计算流体力学(CFD)软件Fluent 对丙烯氧化制备丙烯醛列管式固定床反应器的管间流动和传热进行了研究。通过比较CFD 模拟结果与Bell-Delaware 法计算结果,确认了CFD 模拟的可靠性。考虑盘环型错流列管式反应器为中心轴对称的结构,采用中心角为15 °的片状模型,模拟考察了不同管板环隙对管外冷却介质温度分布和流动压降的影响,结果表明,在反应器的第三块折流板缺口区域附近以及离开折流板一定高度的带状区域存在相对高温区,其位置和形状随管板环隙有明显的变化;管板环隙大小会直接影响管间的总压降和温度分布状况;综合考虑径向温差和总压降,得到了对于不同直径反应器的最优环隙尺寸。模拟结果为设计管间均匀流动的列管式固定床反应器提供了依据。