Numerical Simulation of Unsteady-State Flowsin Bubble Column Reactors

Unsteady-state operation has been widely applied in chemical engineering, such as optimizing a process, increasing yield and saving energy, etc. But the knowledge of the flow characteristics in bubble column reactors(BCRs) under unsteady state control is far from enough. In order to study the flow structures in this operation, the volume of fluid (VOF) model and the standard k-ε model to simulate the evolution of gas-liquid flow in BCRs under the start-up state are combined. For both the symmetry and asymmetry flow, the layout of the gas-inlets, the gas-in velocity, the liquid viscosity and the aspect ratio of the BCR all have effects on the liquid velocity distribution. The simulation results could provide some information for the design and scale-up of the BCRs.

亚毫米气泡和常规尺寸气泡气液两相流流动与传质特性对比

通过实验和数值模拟系统研究了亚毫米气泡鼓泡塔与常规鼓泡塔在流动和传质特性上的区别,并建立了适用于亚毫米气泡气液两相流流动和传质过程的数值模拟方法。研究结果表明,相比常规鼓泡塔,相同操作条件下亚毫米气泡鼓泡塔的气泡尺寸分布更窄,平均尺寸降至前者3%左右,气含率提高2倍以上,比表面积提高2个数量级。另外亚毫米气泡气液两相流中气液径向分布更均匀,轴向返混程度更小。亚毫米气泡鼓泡塔的相界面积是强化传质的关键控制因素,其液相传质系数虽低于常规鼓泡塔,但依靠巨大的相界面积,其体积传质系数是常规鼓泡塔的10倍左右。针对大规模鼓泡塔反应器的模拟结果也表明,亚毫米气泡可使反应器达到更均匀的气含率分布,受初始气液分布的影响小。

用二阶矩两相湍流模型模拟鼓泡床内气泡-液体湍流两相流动

建立了二阶矩气液两相湍流模型 ,模拟了不同工况下二维矩形断面气液鼓泡床中气泡 液体湍流两相流动 ,给出了气泡和液体的速度场、气泡体积分数和两相雷诺应力分布 ,基本工况的模拟结果与美国俄亥俄州立大学PIV测量结果符合较好。文中研究了不同气体表观速度对两相流场的影响。模拟结果显示了鼓泡床内液体的回流流动和气泡的上升运动、各向异性的两相湍流 ,气泡湍流脉动比液体的强 。

鼓泡塔中的有效涡扩散系数及湍流特性

依据湍流模式理论提出新的有效涡扩散系数关系式，讨论其与既有关系式的异同并与湍流实测数据比较，结果表明，本文关系式给出与实测值更为一致的结果，而既有的一些关系式的计算值偏高．由此讨论了涡扩散系数与鼓泡塔流动模型的关系，指出了数据偏差产生的原因．

鼓泡塔反应器内两相流动态模拟研究

采用双流体模型以及考虑气相影响的湍流模型,对矩形鼓泡反应器中气液两相流行为进行了两维和三维数值模拟.结果表明,两维模拟不能准确预测气液两相流动态行为,而三维数值模拟则能准确模拟两相流动态行为。通过比较湍流粘度,发现两维模拟所得湍流粘度要比三维模拟高一个数量级。比较了三维模拟中湍流模型对模拟结果的影响.发现 RNGκ-ε模型所模拟的气泡流摆动周期明显小于κ-ε模型的模拟结果,模拟结果更接近实验结果.考察了升力和虚拟质量力在多相流动态行为模拟中的作用,发现它们对模拟结果产生不同程度的影响,其中升力的影响比虚拟质量力的影响显著。

鼓泡塔中液相环流速度分布模型

提出鼓泡塔中液相环流预测的一维流动模型和相应的湍流封闭关系式,并对模型求解方法进行了改进。通过模拟结果和文献数据的对比分析表明,环流速度与塔内液相的流型密切相关。在平稳鼓泡流和剧烈湍流两种流型下,应用本文推荐的涡粘系数关系式可预测液相环流速度的分布,精度令人满意。

中心进气式鼓泡反应器内气液流动的大涡模拟

研究鼓泡塔内涡的结构及其演变规律,对揭示反应器内传热、传质性能具有重要意义．用大涡模拟(LES) 方法对中心进气式鼓泡塔内瞬态流动性能进行了模拟研究,结果表明,增大气速可使涡结构剧烈变化,增加液体黏度限制了涡尺度的发展,减少气泡尺寸加快了涡的变化速率．模拟结果与实验值吻合良好,大涡模拟方法能有效地揭示鼓泡塔内不同尺度的涡结构及其发展变化规律．

鼓泡床反应器中液体循环的模拟

应用分离流概念对气液鼓泡床反应器中的两相流体动力学进行了理论分析,从而建立了一个基于机理的液体循环的数学模型。根据这个模型,对影响液体循环的诸因素及部分实例进行了模拟计算,其结果与实验结果吻合很好。

偏心进气式鼓泡反应器内气液流动的大涡模拟

采用气液两相流动的欧拉-欧拉大涡模拟,研究了偏心进气式鼓泡塔内气液两相湍流流动。模拟结果表明:气泡流的运动与气含率的分布与试验结果吻合良好,得到了气液两相湍流瞬态结构形成和演变过程;增大气速使涡结构剧烈变化,液体粘度增高限制了旋涡尺度的发展,反应器高径比减小使涡数量减少。

鼓泡塔内气含率分布与流场的CFD模拟

采用CFD商业软件对单层分布器、双层分布器和带导流筒3种结构鼓泡塔内气液分散性能进行数值模拟。研究结果表明,随着通气量的增加,鼓泡塔内气含率增高,但其分布的均匀性变差。鼓泡塔内存在过渡流域和充分发展流域,在过渡流域,塔内水平截面平均气含率随轴向高度而增加,在充分发展流域,塔内水平截面平均气含率不随轴向高度变化,2种流域的分界线位置和鼓泡塔的结构有关,而几乎不受通气量大小的影响。在相同通气量下,双层分布器和带导流筒鼓泡塔内平均气含率比单层分布器鼓泡塔低,但双层分布器相对单层分布器鼓泡塔可改善在耗氧反应体系中氧气分布的均匀性,采用带导流筒鼓泡塔可改善液体在塔内循环,使气-液反应在塔内更加均匀。

鼓泡塔中液体循环的拟均相模型

本文阐明了鼓泡塔中液体循环的拟均相流体的概念．根据这一概念和前文（ＬｕｏａｎｄＳｖｅｎｄｓｅｎ１９９１）所建立的方法，提出了一个改进模型并讨了如何确定模型参数的方法，对于低粘性和高粘性流体，本模型的计算结果都与实测结果吻合较好．

气液鼓泡床瞬态行为模拟准确性影响因素的研究

应用计算流体力学(CFD)方法对气液鼓泡床的瞬态行为进行模拟研究,分别从空间网格划分、时间步长和附加质量力等因素对瞬态模拟结果准确性的影响进行详细的探讨.结果表明,对于单喷嘴矩形气液鼓泡床的二维瞬态模拟,采用空间网格划分为60×60(0.003.3.m×0.016.7.m),时间步长为0.001.s,即可得到满足误差的结果.同时,附加质量力模型系数是影响瞬态模拟结果准确性的一个关键因素,也是导致模拟计算不收敛的原因之一.附加质量力系数推荐取值0.05.

气液鼓泡床内的液体流速分布

This paper proposes a modified model of eddy viscosity distribution for liquid flow in bubble columns based on a relationship from single-phase flow and then develops a liquid circulation model for bubble columns.The comparison between the liquid circulation model and the reported experimental data shows that the liquid circulation model based on the modified model of eddy viscosity distribution not only agrees with the data very well but also has a wide application range.In addition, the determination of the model parameters is discussed according to the simulation for the reported data with this model.

喷射环流反应器的放大效应

实验测量了两种塔径( 200 和 500 mm)和两种操作模式(气体单独喷射和气液同轴喷射)下喷射环流反应器内的全塔平均气含率、局部气含率及轴向液速径向分布、循环液速,归纳出全塔平均气含率的关联式。实验发现,喷射环流反应器具有十分显著的放大效应。小塔( 200)与大塔( 500)中的全塔平均气含率存在很大差异:小塔的全塔平均气含率~气速关系曲线比大塔陡峭,低气速下小塔气含率低于大塔、较高气速下高于大塔。根据漂移通量法分析得到小塔中流型转变点在表观气速 0.1 m s 1左右,在实验气速范围内只存在拟均匀鼓泡流;大塔中流型转变点在表观气速 0.04 m s 1左右,随气速增大从拟均匀鼓泡流转变为湍动鼓泡流。喷射环流反应器比气升式环流反应器、一般鼓泡塔全塔平均气含率略低,但循环液速更大,适用于强化固体悬浮与混合的气液固三相反应过程。

计及气泡诱导与剪切湍流的气泡破碎、湍流相间扩散及传质模型

在以鼓泡塔为代表的气液鼓泡流动中,存在着气泡诱导湍流(BIT)和剪切湍流两种湍流机制,并且二者在不同的时间、空间范围内既相互竞争又共同作用。受制于BIT动能能谱的形式和特性不够完整清晰,过去的研究中关于BIT如何对气泡破碎聚并、相间作用力、相间传热传质等相间相互作用过程产生影响的结论比较模糊。因此,本文在具有波数κ-3特性的BIT能谱的基础上,提出了在不同工况下考虑BIT与剪切湍流共同作用的研究思路。研究结果表明,考虑两种湍流机制的气泡破碎模型和湍流相间扩散模型对BIT在整体或局部占据不同程度主导地位的情况,都能很好地捕捉气液鼓泡流动的动力学特性,为进一步准确揭示气液相间传质过程的内在机理提供了基础。

双组分颗粒混合下气液固鼓泡床流动特性研究

对气液固鼓泡床中两种颗粒的气相、液相和固相各相流动进行数学建模,对相同密度不同颗粒尺寸的两组分颗粒混合,以及相同尺寸不同颗粒密度的两组分颗粒混合进行了数值模拟研究.结果表明,不同颗粒尺寸双组分颗粒混合,加入的颗粒尺寸越大,靠近床层底部的颗粒更易被流化,同时颗粒尺寸较小的颗粒更易被流化.不同颗粒密度双组分颗粒混合,更轻的颗粒的加入能够促进原颗粒的流化.密度较大颗粒的加入对床内中下部气含率值的影响较大,颗粒密度越大,气含率值越低.

T型正弦微通道内气液两相流动的数值研究

在T型微通道的基础上,对其结构进行改造,提出了一种T型正弦波节微通道,并构建了微型气液反应装置。运用CFD方法,数值研究了微通道内的气泡形成过程及气液分布情况,拟合出了计算T型微通道内气泡液柱尺寸的关联式。结果表明:T型正弦波节微通道内的气泡形成机制与常规T型微通道相同,为挤压机制,颈部断裂过程经历的时间较常规T型微通道稍长。该结构类型的正弦波节微通道与常规平直圆管相比,当量直径增大了50%,气液接触面积相应增大了25%,有效地提高了传质效率。