规整填料内鼓泡流动的二维CFD

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1、http://www.paper.edu.cn1规整填料内鼓泡流动的二维CFD模拟刘春江，成洁，袁希钢天津大学化学工程研究所，化学工程联合国家重点实验室，天津（300072）E-mail：yuanxg@tju.edu.cn摘要：规整填料内鼓泡流动现象的研究对于开发新型气液传质与反应设备具有重要的指导作用。为此应用VOF（VolumeofFluid）多相流模型建立了描述规整填料内部鼓泡流动现象的二维模型，模型中考虑了影响气液两相流动的两个重要作用力：表面张力和气液相间作用力。模拟计算结果显示，气泡在上升过程中自身振荡，随着入口气速的增大

2、，气泡形变程度增大，并且伴有气泡聚并现象发生。气泡上升过程中，气泡周围液体的速度增大，并且形成大小不同的旋涡结构，单点速度值的波动程度随气体入口速度的增大而增大。关键词：化工流体力学；气液传质与反应；计算流体力学；鼓泡塔；规整填料中图分类号：TQ-028文献标识码：A引言鼓泡塔是气液两相进行质量、动量和能量传递以及化学反应的重要设备，其内部的气液两相流动是化工生产过程中一个具有代表性的多相流动情况。虽然鼓泡塔的结构简单，但其内部的气液两相鼓泡流动是一个复杂的流动过程，包括时间和空间上的多尺度结构，这些结[1]构之间又有复杂的相互作用。

3、本文的研究对象是规整填料内的鼓泡流动，除了两相流动所固有的复杂性，规整填料特有的波纹结构和排布形式形成了交错复杂的内部流道，使得气液两相同时受到这种特殊的内部结构的影响，表现出不同的流动特性，增加了问题的复杂程度。本文应用计算流体力学（computationalfluiddynamic,CFD）的方法来研究板波纹规整填料作为鼓泡塔内件时其内部的气液两相流动情况。由于规整填料复杂的内部流道结构和计算能力的限制，目前还不能模拟整块填料内的三维鼓泡流动过程，本文建立与之近似的二维物理模型，初步进行规整填料内气液两相鼓泡流动过程的模拟。1.物

4、理模型的建立图1是规整填料内鼓泡流动的照片，气体以一定的流量由填料底部单点进入形成鼓泡，从照片中可以看出气泡的运动和变形情况。1本课题得到长江学者和创新团队发展计划（IRT0641）的资助。-1-http://www.paper.edu.cn图1填料内部鼓泡流动Fig.1Bubblyflowinstructuredpacking用一个垂直的截面去切填料形成的流道，所形成的剖面均为相似的锯齿状。本文选取填料相邻波峰和波谷中间位置形成的剖切面作为诸多剖面中有代表性的平面，如图2所示，其中波纹的结构基于Mellapak350Y型板波纹规整填

5、料，其尺寸如表1所示，研究此二维平面内气液鼓泡流动过程。(a)(b)(c)(d)图2板波纹规整填料二维近似物理模型的建立(a)整片填料(b)剖切后的填料(c)剖面形状(d)二维物理模型Fig.2Constructionoftwo-dimensionalphysicalmodelofstructuredpacking表1Mellapak350Y型规整填料的结构特性参数Tab.1GeometricparametersofMellapak350Y材质有机玻璃峰高/mm9波纹峰间距/mm18波纹边长/mm12.73波纹倾斜角/(°)45当量直

6、径/mm10.123比表面积/(m/m)350空隙率0.97-2-http://www.paper.edu.cn考虑到规整填料内气、液两相流动过程的复杂性，计算过程中对规整填料的几何结构做了一些简化，即假定其表面未开槽，也没有开孔。气液两相并流，气体由填料底部中心进入。2.数学模型的建立规整填料内的两相鼓泡流动中，液相为连续相，气相为分散相。通常气液两相流动属于非稳态流动过程，两相之间存在复杂的相互作用，在模拟过程中对于分散相（气相）如果采用欧拉连续介质模型或拉格朗日离散相模型均很难体现气泡的形成、破裂以及合并过程，因此，对于这种流动

7、的研究，本文采用追踪气液两相界面的VOF模型进行模拟。2.1控制方程在VOF方法中，用一个方程来描述两种流体，而相界面的跟踪是通过求解一相或多相的体积分率的连续方程来完成的。模型里每增加一个附加相，就引入一个变量：即计算控制体内的体积分率α。在每个控制体内所有相的体积分率之和为1，所有变量及属性均为体积平均值且为各相所共享。二维流动模型中液相为水，气相为空气，假定液相不可压缩，气相为理想气体，且均为牛顿流体。在一个结构单元内，可认为气液相是恒温的，即混合物的物理性质仅与其组成有关，并且气液两相间不存在质量传递。下面给出利用VOF方法描

8、述气液两相流动的各种方程：更为详细的描述请参考文献[2]。质量守恒方程（即连续性方程）：∂ρ∂+(ρu)=0i∂t∂xi（1）动量守恒方程：∂∂∂∂∂()ρρuu+=()up−+τρ+−u′′u+ρg+Fiijijiji