鼓泡塔内气泡羽流周期性摆动的数值模拟
鼓泡破泡一体化高效精馏塔盘流动特性与CFD模拟
鼓泡破泡一体化高效精馏塔盘流动特性与CFD模拟陈光辉;祝华腾;郭秀玲;王伟文;李建隆【摘要】A high-efficiency sieve tray with bubble crusher was proposed. A layer of bubble crusher device was added in the height range of the foam layer on the sieve tray. The device could decrease the volume of the bubble and force the interphase to renovate, improve mass-transfer efficiency of trays in the trace distillation, and strengthen the gas-liquid mass transfer. The numerical simulation of gas-liquid two-phase flow field is carried out on the micro-bubble tray and sieve tray by Euler-Euler two fluid model, which was verified by test. The results showed that the bubble crusher device can effectively break the large bubbles, which made the gas distribution in those regions characterized by the small fraction of gas volume and evident back-mixing phenomenon more uniform, the regional area with large bubble content larger , and the gas hold-up distribution was gradient. The bubble crusher device in the foam layer can increase the interfacial area for vapour-liquid contact and residence time, improve the mass transfer efficiency and reduce the gas entrainment. The turbulence intensity near the bubble crusher device was high. The gas sprayed while large bubbles broken will further tear the liquid layer and increase the height of the foam layer, and bubble coalescence was restrained. The quick interphase renovation could enhance mass transfer process. The results can provide guidance for the design and optimization of industrial trays.%就痕量精馏中塔板传质效率低、需强化气液传质的问题,研究者提出了新型鼓泡破泡一体化高效精馏塔盘,通过在筛板上泡沫层高度范围内设置一层破泡装置,打破大气泡,减小气泡体积,强制界面进行更新,从而提高传质效率.采用双欧拉模型分别对鼓泡破泡一体化塔盘和筛板进行了气液流场的数值模拟,并对模型进行了验证.对比两种塔板的计算结果可以看出:在相同操作条件下,破泡装置将大气泡破裂成无数小气泡,使高气含率区域面积较普通筛板进一步增大,且气含率梯度变化更均匀;增加破泡装置后,在相同气速条件下气泡上升速度下降,气体在液层中的滞留时间延长,使鼓泡层高度增加,可显著提高传质效率,且降低了气体雾沫夹带量;破泡装置还明显改善了气相的纵向分布,气含率由塔板底部向上逐渐增大且存在明显分界;破泡装置附近湍动较剧烈,气泡破碎喷出的气体会进一步撕裂液膜,气体破碎作用会抑制气泡聚并,促进界面的快速更新更有利于传质过程的进行.研究结果可对工业塔板设计和优化提供指导.【期刊名称】《化工学报》【年(卷),期】2017(068)012【总页数】8页(P4633-4640)【关键词】数值模拟;气泡;筛板塔;气液两相流;气含率【作者】陈光辉;祝华腾;郭秀玲;王伟文;李建隆【作者单位】青岛科技大学化工学院,山东青岛 266042;青岛科技大学化工学院,山东青岛 266042;青岛科技大学化工学院,山东青岛 266042;青岛科技大学化工学院,山东青岛 266042;青岛科技大学化工学院,山东青岛 266042【正文语种】中文【中图分类】TQ053.5板式塔[1-5]具有结构简单、易于放大等优点，广泛应用于石油、化工、制药等行业。
鼓泡塔反应器气液两相流CFD数值模拟_李光
Abst ract : Numerical simulatio ns o f gas-liquid f low in a cy lindrical bubble column wi th tw o-fluid approach were conducted at superficial gas veloci ties varying f rom 0 . 02 m · s -1 t o 0 . 30 m · s -1. A si ng le scalar t ranspo rt equati on w hich described bubble size chang es characterized by bubble int erfacial areas w as also i ncorporated into t he simulatio ns. In t he model s , the eff ect o f bubble co alescence and break-up w as taken i nt o conside ration. A modif ied kεt urbulence m odel was used t o describe liquid phase turbulence in the simulatio ns , by acco unti ng fo r t he pseudo t urbulence due to bubbles , w hile t he g as phase turbulence viscosit y w as estim ated based on t he T chen' s t heo ry. The simulations only adopted the drag force fo r phase momentum exchange . The time averaged axial liquid velocities , gas hold up and gas phase interfacial areas obtained from the simulations were compared w ith the available ex perimental result s. I t w as demo nst rated f rom the simulatio ns that the modeling in t his w o rk can reaso nably predict t he g as-liquid f low in the bubble column . Key w o rds :bubble column ; gas-liquid f low ; bubble model ; coalescence ; break-up
单个气泡静水中上升特性的数值模拟
单个气泡静水中上升特性的数值模拟徐玲君;陈刚;邵建斌;薛阳【摘要】为了研究静水中气泡运动的水力学特性,验证数值模拟方法对气泡运动模拟的有效性和准确性,采用基于流体体积法(VOF法)的几何重构技术捕捉水气两相界面,通过自编后处理程序提取模拟结果数据,获得气泡运动的速度、上升轨迹、变形等参数.模拟结果与模型试验结果比较表明:二者吻合情况良好,说明VOF法能准确地捕捉到气泡界面的变形情况,是一个强大的捕捉两相交界面的工具.随后分析了气泡的变形机理、运动轨迹与瞬时速度变化规律,旨在为相关气泡运动特性研究提供参考.%fn order to study bubble hydrodynamic characteristics in stilt water and validate the accuracy of the numerical simulation method, the Geometric Reconstruction Method of volume-of-fluid(VOF)was employed to track the interface between gas and liquid, and parameters such as bubble deformation, trajectory and speed were processed by digital image processing technology. Simulation results were compared with the model experimental results and found they agreed well with each other. The work showd that VOF method could accurately capture the deformation of the bubble, VOF method was a powerful tool to capture the two intersect interface. The deformation mechanism, trajectory and instantaneous velocity variation were investigated to provide reference for relevant studies on hydrodynamic characteristics of the bubble.【期刊名称】《沈阳农业大学学报》【年(卷),期】2012(043)003【总页数】5页(P357-361)【关键词】VOF方法;气泡;数值模拟;速度【作者】徐玲君;陈刚;邵建斌;薛阳【作者单位】西安理工大学水利水电学院,西安710048;西安理工大学水利水电学院,西安710048;西安理工大学水利水电学院,西安710048;中国水电顾问集团华东勘测设计研究院,杭州310014【正文语种】中文【中图分类】TV131.4水中气泡上升过程是一个非常复杂的、非线性的和不稳定的水动力学现象。
双气泡相群平衡模型模拟鼓泡塔气液两相流
可得大、小气泡相的子气泡数密
(1)
若在式(1)两边分别乘以各子气泡体积并求和，可得
∑
i =1
n
n πd i3 πd 3 [∂N i /∂t +∇ ⋅ ( N i ui )]=∑ i ( NBiC -NDiC +NBiB -NDiB ). (2) 6 6 i =1
3 πd n SB
⎡ nLB πd k3 ⎤ − NB B ⎢∑ ∑ j, k ⎥ 6 j =1 ⎣ ⎢ k =1 ⎥ ⎦
B ⎤ NBn , ⎦ SB +1, k
(2) 动量方程 液相： (8)
∂α L ρ L uL +∇ ⋅ (α L ρ L uL uL )=-α L∇p +FL, SB +FL, LB + ∂t ∇ ⋅ (α Lτ L )+α L ρ L g +∇ ⋅ ( −α L ρ L u'L u'L ).
∂Ni/∂t+∇⋅(Niui)=NBiC−NDiC+NBiB−NDiB.
[17]
表示气泡 j 破碎生成气泡 k 的速率. 2.2 气泡聚并与破碎模型 当表观气速较大、处于非均相流型时，气泡在鼓泡 塔内经历复杂的聚并与破碎过程， 气泡尺寸将发生显著 变化，并产生较宽的分布. 研究表明，气泡的聚并与破 碎机理相当复杂. 引起气泡聚并的机理[17]主要有：液相 湍流引起的气泡脉动导致的气泡聚并、浮力引起的速度 差导致的气泡聚并、液相平均速度梯度(层流剪切)引起 的气泡碰撞聚并等. 其中湍流脉动引起的气泡聚并是主 要因素，当前主要的气泡聚并模型均是围绕该机理建立 的，例如 Luo 等[19]、Leher 等[6]、Chesters 等[20]、Prince 其中， Luo 与 Prince 的模型最为常用. 等[21]的机理模型， 本工作将采用 Prince 等的聚并模型， 具体表达式见文献 [21]. 气泡破碎有 3 种主要机理： 湍流涡碰撞导致的气泡 破碎、 液相速度梯度使气泡发生拉伸形变所致的气泡破 碎、Rayleigh−Taylor 及 Kelvin−Helmholtz 不稳定性导致 的气泡破碎. 其中湍流涡碰撞引起的气泡破碎是最主要 的，当前大部分工作只考虑该机理，主要有 Luo 等[22] 和 Lehr 等[6]的机理模型， 其中 Luo 的破碎模型最为常用. 本工作将选用该模型，具体表达式见文献[22]. 2.3 双流体模型 双流体模型控制方程可在单相流控制方程的基础 上采用集平均方法推导. 本工作假定液体为连续相，气 体分散相为拟流体， 不可压缩， 不考虑气/液相间质量传 递. 控制方程如下： (1) 质量守恒方程 液相：
湍球塔气体流动的数值模拟
湍球塔气体流动的数值模拟0前言用湍球塔进行烟气脱硫，其脱硫效率在很大程度上取决于塔内发生的流体力学行为。
通过前一阶段的实验发现，空塔气速分布，支撑板、挡板、漩流板的压降及塔的总压降对湍球塔的高效连续运行有直接影响。
这些参数是湍球塔最基本的特性参数，反映出塔板结构的合理性及操作过程中所需消耗的能量[1，2]。
为减少实验次数并更详尽地了解湍球塔内气体流动状况，很有必要对湍球塔内的气体流动进行数值模拟。
1方法简介计算流体力学(简称CFD)是20世纪60年代伴随计算机技术迅速崛起的学科。
CFD的应用使实验次数减少，节省了大量资金和时间，并能解决某些由于实验技术所限难以进行测量的问题，它是研究各种流体现象，设计、操作和研究各种流动系统和流动过程的有利工具口“。
所以，尝试采用这种方法进行湍球塔内的气体流动模拟，分析塔内的气速分布及压力损失，为湍球塔的优化设计提供依据。
目前国外有很多发展成熟的商业CFD软件，这些软件一般包括3个主要部分：前处理器、解算器、后处理器。
现采用Fluent6．0进行计算，它的解算器采用完全的非结构化网格和控制体积法，适用于低速不可压流动、跨音速流动乃至可压缩性强的超音速和高超音速流动等各种复杂的流场，也完全适合于湍球塔内的气体流动模拟。
2几何建模与网格划分在Fluent中，求解区域是用网格分割成有限个控制体(ControlV olumes，CVs)。
同有限差分不同的是，网格为控制体积的边界，而不是计算节点。
为保证守恒，CVs必须是不重叠的。
因此网格生成质量对计算精度与稳定性影响极大，在几何形状复杂的区域上要生成好网格也是相当困难的。
现采用Gambit2．0进行几何建模与网格划分。
该软件包含全面的几何建模能力和功能强大的网格划分工具，可划分出包含边界层等CFD特殊要求的高质量的网格。
三维几何模型的建立及网格划分在整个模拟过程中是非常重要也是非常困难的一步。
图1为用Gambit2．0建立的湍球塔三维几何模型，基本上与实际实验装置在尺寸及结构上完全一致，仅湍球层塔板间距比实验装置中的间距要短些，实验装置中湍球层塔板间距为1．5 m，Gambit2．0建立的湍球塔几何模型中湍球层塔板间距为0．5 m。
鼓泡流化床中流动特性的多尺度数值模拟
鼓泡流化床中流动特性的多尺度数值模拟王帅;于文浩;陈巨辉;张天浴;孙立岩;陆慧林【摘要】鼓泡流化床因其较高的传热特性以及较好的相间接触已经被广泛应用于工业生产中，而对鼓泡流态化气固流动特性的充分认知是鼓泡流化床设计的关键。
在鼓泡流化床中，气泡相和乳化相的同时存在使得床中呈现非均匀流动结构，而这种非均匀结构给鼓泡流化床的数值模拟造成了很大的误差。
基于此，以气泡作为介尺度结构，建立了多尺度曳力消耗能量最小的稳定性条件，构建了适用于鼓泡流化床的多尺度气固相间曳力模型。
结合双流体模型，对A类和B类颗粒的鼓泡流化床中气固流动特性进行了模拟研究，分析了气泡速度、气泡直径等参数的变化规律。
研究表明，与传统的曳力模型相比，考虑气泡影响的多尺度气固相间曳力模型给出的曳力系数与颗粒浓度的关系是一条分布带，建立了控制体内曳力系数与局部结构参数之间的关系。
通过模拟得到的颗粒浓度和速度与实验的比较可以发现，考虑气泡影响的多尺度曳力模型可以更好地再现实验结果。
通过A类和B类颗粒的鼓泡床模拟研究发现，A类颗粒的鼓泡床模拟受多尺度曳力模型的影响更为显著。
%Bubbling fluidized beds have been widely applied to various industrial processes owing to superior inter-phase contact and high heat transfer characteristics. Fundamental knowledge of the hydrodynamic characteristics is essential for the design of such reactors. In bubbling fluidized bed systems,the non-uniform flow structure in the form of bubble-emulsion phases makes the accuracy of numerical model limited. Bubbles are the typical meso-scale structures in bubbling fluidized beds.To describe the effects of such meso-scale structures, a bubble structure-dependent (BSD) drag model is developed with one extremum conditionof energy dissipation consumed by the drag force, which is incorporated into the two fluid model. The simulations of gas-solid flow behavior in bubbling fluidized beds with with Geldart A and B particles are performed and some parameters including bubble velocity and bubble diameter are analyzed. The results indicate that the present model with consideration of bubble effects obtains a zonal distribution of the drag coefficient with solid concentration, which establishes a relationship between the drag coefficient and the local structural parameters. Comparisons with experimental data, the BSD drag model can obtain a better prediction than the conventional drag model. Meanwhile, the simulation reveals that the BSD drag model has a more significant impact on the predition of bubbling fluidization with Geldart A particles.【期刊名称】《力学学报》【年(卷),期】2016(048)003【总页数】8页(P585-592)【关键词】曳力系数;气泡;流化床;多尺度【作者】王帅;于文浩;陈巨辉;张天浴;孙立岩;陆慧林【作者单位】哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，哈尔滨150001;哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，哈尔滨150001;哈尔滨理工大学机械动力工程学院，哈尔滨150080;哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，哈尔滨150001;哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，哈尔滨150001;哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，哈尔滨150001【正文语种】中文【中图分类】TK224作为重要的化学反应器，鼓泡流化床已经被广泛应用于煤燃烧、生物质气化等工业生产中.现阶段，应用欧拉方法对鼓泡流化床进行模拟已经取得了实质性的进展［1-4］.然而，标准的欧拉模型通常采用的是常规的曳力模型，即假设控制体内气体和颗粒是均匀分布的.由于气泡相和乳化相的同时存在，鼓泡床中呈现出了以气泡作为介尺度的非均匀流动结构，若忽略这种非均匀性对气固曳力的影响，会给数值模拟造成很大误差，也无法真实体现出这种多尺度结构特征.近年来，研究者们发展了很多模型来表征非均匀流动结构的影响［5］.Igci等［6-7］基于气固两相流模型，对网格进行了高精度的划分，对颗粒相和相间参数进行重构，构造了曳力的亚格子模型.能量最小多尺度（EMMS）模型把局部颗粒系统划分成稀疏相和稠密相，通过对不同的相结构分别计算相间曳力，再由悬浮输送能量最小的极值条件进行模型的封闭［8-10］.由于考虑了颗粒系统的非均匀多尺度结构对相间曳力的影响，模型能够更好地对流化床内气固两相宏观流动行为进行模拟.Wang与Liu［11］应用EMMS模型很好地再现了鼓泡流化床中颗粒的径向和轴向分布规律.Shi等［12］基于能量最小多尺度方法，通过将气泡这一介尺度结构类比于循环流化床中的颗粒聚团，构建了考虑气泡影响的多尺度曳力系数计算模型.研究表明，该模型在使用粗网格的同时仍然可以不失计算精度，有效地降低了计算代价. Lungu等［13］将该模型拓展到了双组份鼓泡流化床的研究中，模拟结果与实验很好的吻合.Wang等［14］通过分析鼓泡床中的多尺度结构，应用气泡直径和上升速度等经验公式，建立了一种考虑气泡影响的曳力模型，并将其应用于B类颗粒的鼓泡流化床模拟中.研究表明，新的曳力模型可以更好地预测出气泡的运动过程以及床中空隙率的分布.Wang等［15］假设计算网格内颗粒是以两种形式存在的，对现有的曳力模型进行了修正，提出了一种适用于B类和D类颗粒的考虑亚格子尺度影响的曳力表达式.通过对工业规模的鼓泡流化床进行粗网格模拟，模拟结果较好地再现了实验结果.L等［16］和Yang等［17］基于乳化相空隙率与气速之间的Richardson与Zaki［18］的关联式，结合气泡直径与高度的经验公式［19］，发展了应用于A类颗粒的鼓泡流化床多尺度曳力模型.模拟得到的颗粒在床内的径向和轴向分布与实验结果能够较好的吻合.大多数研究者在对高颗粒浓度的气固相间曳力进行求解的过程中，采用全局操作参数得到曳力系数与颗粒浓度之间的关系，忽略了局部结构参数的动态变化对曳力系数的影响.基于此，以气泡作为介尺度结构，考虑乳化相颗粒压力以及乳化相--气泡相间的虚拟质量力的影响，将鼓泡流化床中多尺度曳力与局部结构参数相关联，建立适用于鼓泡床的多尺度曳力模型.结合双流体模型，对鼓泡流化床内气固流动特性进行多尺度模拟.1.1 气相和固相的连续性方程1.2 气相和固相的动量守恒方程式中，τs和ps分别表示颗粒相的剪切应力以及颗粒相压力，通过颗粒动理学理论［20］进行确定.1.3 基于气泡的多尺度曳力模型（BSD曳力模型）图1表示计算网格内基于气泡--乳化相的多尺度结构示意图.将非均匀气固流动分解为乳化相（密相）、气泡相（稀相）和乳化相--气泡相之间的相间作用区.假设每个相区均可以看成一个均匀化的子系统，各相均满足质量和动量守恒.在这里，假设气泡相空隙率为1，即气泡内无颗粒存在.对于无化学反应的一维稳态流动过程，各相均满足质量和动量守恒，其中，乳化相中颗粒动量守恒方程表示为式中，Fde，Fdb和as,e分别表示乳化相中气体--颗粒作用力、乳化相--气泡相相间作用力和乳化相中颗粒加速度［21-22］，分别表示为对于乳化相中固相压力梯度▽ps，反映的是颗粒与颗粒之间碰撞所产生的动量交换，可以表示为式中，G［（1−δb）εe］表示固相弹性模量，这里采用Gidaspow［23］给出的关联式同理，假设气泡相和乳化相的气体切向应力忽略不计，对于一维稳态流动，乳化相和气泡相的气相动量守恒方程可表示为由式（10）和（11）可以得到乳化相和气泡相的压降平衡方程式中，ag,e和ag,b表示乳化相气体和气泡相的加速度▽pb表示由于气泡相和乳化相之间的惯性差引起的附加虚拟质量力，根据Zhang等［24］提出的关联式可以表示为式中，Cb表示附加虚拟质量力系数，可表示为［25］根据质量守恒原理，控制体内颗粒流动满足固相质量守恒方程，即同理，对于控制体内稀相和密相气体流动，气相质量守恒方程可表示为控制体内颗粒和气体浓度的归一化条件为基于控制体内乳化相气体--颗粒作用力和乳化相--气泡相相间作用力，考虑气泡结构影响的多尺度气固相间曳力系数βBSD（BSD曳力模型）表示为：曳力系数βBSD是关于控制体内局部结构参数，即6个未知变量（Ug,e，Us,e，Ub，εe，δb，db）的函数，而求解方程只有式（4），式（12），式（16）～式（18）5个方程.因此，对考虑气泡影响的多尺度曳力系数βBSD的求解需要补充额外约束条件.对于基于气泡和乳化相的非均匀流动结构的控制体来说，气体倾向于汇聚成气泡，以实现最小的气体流动阻力穿过颗粒向上运动，即曳力消耗总能量为最小.对于高颗粒浓度下，控制体内多尺度曳力消耗总能量包括乳化相气体--颗粒作用力消耗的能量和乳化相--气泡相相间作用力消耗能量.因此，气固非均匀流动形成条件为多尺度曳力耗能最小通过式（20）这样一个约束条件结合上述5个方程，就可以求解出6个局部结构参数，进而求解出考虑气泡影响的多尺度气固相间曳力系数βBSD.关于模型中相关参数的表达式如下.乳化相表观滑移速度及单位体积内乳化相颗粒数密度相间表观滑移速度及单位体积内气泡数密度乳化相以及相间雷诺数乳化相密度、黏度以及表观速度表示为［26］2.1 Zhu等实验工况计算结果分析计算对象采用Zhu等［27］建立的鼓泡流化床实验台，其中床高2.464m，床径为0.267m，初始颗粒填充高度为1.2m，填充空隙率为0.4.颗粒的密度与直径分别为1780kg/m3和65µm，属于Geldart A类颗粒.流化床底部为气体速度入口，压力出口设置在床的顶部，设置为101325Pa.壁面处，气相采用无滑移边界条件，颗粒采用部分滑移边界条件，模拟时间为20s，取10～20s作为时均值计算样本，主要模拟参数见表1.图2给出了不同的曳力模型下时均颗粒浓度沿轴向的分布.由 BSD曳力模型得到的颗粒浓度可以较好地与实验数据相吻合.Ergun/Wen-Yu曳力模型［20］明显的高估了床层膨胀率，整个床层呈现出颗粒浓度较低且较均匀的分布状态.这是由于该模型在这样的网格尺寸下无法再现气泡的介尺度结构的影响，高估了气固相间曳力.Wang等［28］研究表明，如果使用Ergun/Wen-Yu曳力模型对流化床中介尺度结构进行再现，网格尺度要达到2～4倍的颗粒直径，而对于大尺寸的流化床来说，这样的网格大小是不可行的，因此，采用基于介尺度结构的曳力模型是十分必要的.图中同时给出了L等［16］发展的基于气泡结构的曳力模型得到的模拟结果.可以看到，相较于Ergun/Wen-Yu曳力模型，预测有了较大的改善，颗粒浓度沿轴向呈现了底部为密相床层，上部为自由空间的分布趋势，然而与实验结果还是存在一定的差异.这主要是由于该模型仅仅通过空隙率和床层高度对原有的曳力模型进行了修正，忽略了局部结构参数的动态变化对曳力的影响.图3给出了床层不同高度处模拟得到的颗粒浓度径向分布与实验结果的比较.由图可见，颗粒浓度沿径向呈现壁面高中心区域低的分布趋势.由BSD曳力模型得到的颗粒浓度可以较好地与实验数据相吻合.使用Ergun/Wen-Yu曳力模型［20］时，颗粒浓度大幅度减小，同时也远离了实验测量值，这是由于气固相间曳力被高估所导致的.图4给出了不同高度处气泡相速度和气泡份额的时均径向分布.对于气泡相来说，中心处速度相对较高，沿径向逐渐减小，这说明气泡在中心处向上运动趋势明显.随着靠近壁面，由于壁面摩擦的影响，向上运动趋势被削弱.从气泡份额分布可以看出，气泡份额沿床径向呈现出中心高边壁低的非均匀分布，随着高度的增加，气泡份额进一步增大.这是由于颗粒在壁面摩擦的作用下易发生汇聚，因此，相较于中心处，边壁处气泡份额较小.随着高度的增加，气泡不断长大，气泡之间不断发生聚并，气泡份额沿轴向逐渐增大.2.2 Laverman等实验工况计算结果分析计算对象采用Laverman等［29］建立的鼓泡流化床实验台，其中床高0.7m，床径为0.3m，初始颗粒填充高度为0.3m，填充空隙率为0.4.颗粒的密度与直径分别为2500kg/m3和485µm，属于Geldart B类颗粒.流化床底部为气体速度入口，表观速度为0.45m/s.图5给出了不同网格尺寸下，两种曳力模型模拟得到的时均颗粒浓度沿轴向的分布.由图可见，在不同网格尺寸下得到的颗粒浓度分布趋势是一致的，即在床层底部浓度较高，随着到达床层表面，浓度迅速下降，在上方的自由空间，浓度接近于0.然而，对比两种曳力模型得到的预测值可以发现，网格尺寸对颗粒浓度分布的影响是显而易见的.使用Ergun/Wen-Yu曳力模型［20］时，粗网格预测的床层膨胀高度要高于其他两种网格的预测值，床层底部的颗粒浓度相较于另外两种网格要小，而对于BSD曳力模型，使用相同的粗网格尺寸预测得到的浓度值与其他网格的预测值差异不是很明显.BSD曳力模型可以在不失精度的前提下，使用较粗的网格进行模拟，大大地提高了计算效率.图6给出了模拟得到的颗粒轴向速度的径向分布与实验值的比较.由图可见，模型可以很好地再现颗粒速度在床内呈现出的非均匀分布趋势.图中同时给出了Ergun/Wen-Yu曳力模型得到的颗粒速度分布.可以看到，该模型对颗粒速度的预测趋势上与BSD模型基本一致，但由于该模型没有考虑气泡对于相间作用力的影响，高估了气固相间作用力，进而使颗粒速度值偏大，而由BSD曳力模型预测的计算结果与实验结果更为吻合.气泡的大小是评估鼓泡流化床的一个重要参数，它直接影响着床内的气固混合以及气体扩散，同时也会导致化学反应与传热传质的非均匀性分布.这里所统计的当量气泡直径是通过气泡面积折算得到的.通过气泡边界的识别和坐标位置的确定，选择空隙率为0.8作为分界点来获得气泡的边界，进而得到气泡的面积.图7给出了床内气泡直径随床高的变化关系.由图可见，随着床层高度的增加，气泡直径逐渐增大.图中同时给出了Laverman等［29］实验得到的气泡直径沿床高的分布.可以看到，利用BSD曳力模型得到的气泡直径更接近于实验值.图8给出了气固相间曳力系数与颗粒浓度的变化关系.由图可见，随着颗粒浓度的增加，曳力系数逐渐增大.对于Ergun曳力模型，曳力系数通过假设床层压降与曳力平衡得到，与颗粒浓度的依赖关系近乎于一条曲线，而BSD曳力模型给出的曳力系数与颗粒浓度的关系则是一条分布带.由于控制体内气泡介尺度结构的影响，曳力系数会受局部结构参数的影响［30］，Ergun曳力模型弱化了这一点.BSD曳力模型很好地建立了控制体内曳力系数与结构参数之间的关系，得到了基于气泡介尺度结构影响的多尺度气固相间曳力系数.在高颗粒浓度的多尺度气固相间曳力系数计算中，为了评估由颗粒与颗粒之间碰撞引起的固相压力以及气泡相和乳化相之间产生的附加质量力的影响，图9给出了这两个参数与颗粒浓度的变化关系.随着颗粒浓度的增加，附加质量力逐渐减小，并逐渐趋于0.这说明在高颗粒浓度时，附加质量力对于曳力系数的影响逐渐被削弱.而从固相压力变化趋势上看，随着颗粒浓度增大，固相压力梯度逐渐增大，这说明在高颗粒浓度时，乳化相中颗粒碰撞的影响逐渐变得显著，而随着颗粒浓度进一步增大，颗粒的自由程减小，颗粒脉动减弱，固相压力梯度减小.从数值上看，固相压力梯度较附加质量力梯度大一些，但两者同处一个数量级.以气泡作为介尺度结构，通过将鼓泡流化床中多尺度曳力系数与局部结构参数相关联，构建了适合于鼓泡流化床的多尺度气固相间曳力模型.应用多尺度曳力模型，结合双流体模型，对A类和B类颗粒的鼓泡流化床中气固流动行为进行了模拟.结果表明，与传统模型相比，考虑气泡影响的多尺度曳力模型可以更好地再现实验结果，同时在粗网格模拟时，BSD曳力模型可以在不失精度的前提下，大大地提高计算效率.研究发现，A类颗粒的鼓泡床模拟受多尺度曳力模型的影响更为显著.在高颗粒浓度下，由颗粒碰撞所引起的固相压力的影响较显著，而虚拟质量力在颗粒浓度较低时表现的较为明显.Ergun方程得到的曳力系数与颗粒浓度的依赖关系近乎于一条曲线，BSD曳力模型给出的曳力系数与颗粒浓度的关系则是一条分布带.BSD曳力模型很好地建立了控制体内曳力系数与局部结构参数之间的关系，进而考虑了气泡对曳力所带来的影响.【相关文献】1 Cloete S，Zaabout A，Johansen ST，et al.The generality of the standard 2D TFM approach in predicting bubbling fluidize bed hydrodynamics.Powder Technology，2013，235：735-7462 Herzog N，Schreiber M，Egbers C，et al.A comparative study of different CFD codesfor numerical simulation of gas-solid fluidize bed puters&Chemical Engineering.2012，39：41-463 Zhao Y，Lu B，Zhong Y.Influenc of collisional parameters for rough particles on simulation of a gas-fluidize bed using a twoflui model.International Journal of Multiphase Flow，2015，71：1-134 王帅，郝振华，徐鹏飞等.粗糙颗粒动理学及稠密气固两相流动的数值模拟.力学学报，2012，44（2）：278-286（Wang Shuai，Hao Zhenhua，Xu Pengfei，et al.Kinetic theory of rough spheres and numerical simulation of dense gas-particles fl w.Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics，2012，44（2）：278-286（in Chinese））5 Schneiderbauer S，Pirker S.Filtered and heterogeneity-based sub-grid modification for gas-solid drag and solid stresses in bubbling fluidize beds.AIChE Journal，2014，60（3）：839-8546 IgciY，Sundaresan 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fluidization Chemical Engineering Science，2011，66：5541-555513 Lungu M，Zhou Y，Wang J，et al.A CFD study of a bi-disperse gassolid fluidize bed：Effect of the EMMS sub grid drag correction. Powder Technology，2015，280：154-172 14 Wang Y，Zou Z，Li H，et al.A new drag model for TFM simulation of gas-solid bubbling fluidize beds with Geldart-B particles. 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基于EMMS方法的鼓泡塔反应器CFD及群平衡模拟
基于EMMS方法的鼓泡塔反应器CFD及群平衡模拟王珏;杨宁【摘要】The energy-minimization multi-scale (EMMS) model has been introduced to improve the population balance modeling (PBM) of gas-liquid flows. The energy for bubble breakup and coalescence can be obtained from the EMMS model and then used to derive a correction factor for the coalescence rate. This new model is applied in this study to simulate the bubble columns of high flow rates. Simulations using the three different models, namely, the constant-bubble-size model, the CFD-PBM model and the CFD-PBM-EMMS model, are compared with experimental data. The simulation of CFD-PBM-EMMS gives better prediction for bubble size distribution and liquid axial velocity at different heights as well as the overall and local gas holdup. The relative error of global gas holdup reduces to 5% or 15%, and the mean relative error of local gas holdup reduces to 8% or 17% for 0.16 m·s-1 or 0.25 m·s-1 of superficial gas velocity.%能量最小多尺度(energy-minimization multi-scale,EMMS)方法已经被应用于气液体系中群平衡(population balance model,PBM)模型的改进.EMMS模型可计算气泡破碎聚并过程的能量,进而获得聚并速率的修正因子.应用这一模型对高气速鼓泡塔进行了模拟计算,并进一步对比了均一尺径模型、CFD-PBM模型以及CFD-PBM-EMMS模型的模拟结果与实验数据.结果表明,在高表观气速条件下,基于EMMS方法的群平衡模型可以更加准确地预测鼓泡塔中不同高度的气泡尺径分布和轴向液速,同时提高了对整体气含率和局部气含率的模拟准确性.在表观气速为0.16 m·s-1和0.25 m·s-1时,CFD-PBM-EMMS模型对气泡尺径分布的预测精度更高,同时整体气含率模拟的相对误差下降为5%和15%,局部气含率模拟平均相对误差下降为8%和17%.【期刊名称】《化工学报》【年(卷),期】2017(068)007【总页数】11页(P2667-2677)【关键词】计算流体力学;群平衡模型;鼓泡塔;气含率;气泡尺径分布【作者】王珏;杨宁【作者单位】中国科学院过程工程研究所多相复杂系统国家重点实验室,北京100190;中国科学院大学,北京 100049;中国科学院过程工程研究所多相复杂系统国家重点实验室,北京 100190【正文语种】中文【中图分类】TQ021.1鼓泡塔反应器具有结构简单、操作简便、良好的传热传质效率等优点，被广泛应用于化学工程、生物工程、石油工程等领域[1]。
浅析旋流式鼓泡塔内部流场特性的实验模拟
浅析旋流式鼓泡塔内部流场特性的实验模拟本文从网络收集而来，上传到平台为了帮到更多的人，如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载本文档（有偿下载），另外祝您生活愉快，工作顺利，万事如意！鼓泡塔广泛应用于石油化学工程、生物工程、环境以及能源工业领域中，如加氢、费托合成、污水处理、煤液化等。
近年来，大量的科研工作者通过各种实验模拟研究了鼓泡塔反应器内的流体特性。
本文利用CFD 技术中的FLUENT 计算软件对入口气速分别为2,3,4,5 m/s 时的旋流式鼓泡反应器流场进行了模拟，研究结果对鼓泡塔的优化设计及工业放大有实际的意义。
1 旋流式鼓泡反应器的结构新型旋流式鼓泡塔的总体结构。
旋流式鼓泡反应器基本由筒体，气体分布器，气液分离器三部分组成。
2 数值模拟建立模型模拟对象为圆柱形旋流式鼓泡三相反应器,它的内径为800 mm、高为1 400 mm。
主要相为液相—水;次要相为气相—空气，喷射鼓气管直径为20mm。
喷气径与反应器直径的比值(环径比)为。
网格划分(a)总体结构(b)网格加密边界条件在本算例中，边界条件设定包括壁面(wall)、速度入口( velocity-inlet )、压力出口(pressure-outlet)。
边界条件的设定，对于复杂流场的收敛性有着决定性的影响。
模拟变量边界条件为：入口为气相，在模拟过程中，入口的湍流强度(Turbulent Intensity)为5%。
水力直径(HydraulicDiameter)由模型中喷气管的数量不同而不同;出口为压力出口，压力为表压为0 Pa。
出口的湍流强度(Turbulent Intensity)为1%，水力直径(HydraulicDiameter)为800 m;壁面定义为无滑移边界条件。
3 模拟结果分析本文通过CFD 技术中的Fluent 对旋流式鼓泡塔反应器流场进行数值模拟计算，再通过CFD-Post对其结果进行后处理，得出不同气速下反应器中的速度矢量图，速度云图, 水的体积分数云图等并对其结果进行分析比较，确定最佳的入口气速。
鼓泡塔内气泡羽流周期性摆动的数值模拟
鼓泡塔内气泡羽流周期性摆动的数值模拟徐礼嘉;陈彩霞;夏梓洪;袁伯若【期刊名称】《化学工程》【年(卷),期】2012(40)9【摘要】The dynamic characteristic of gas-liquid phases in 2D and 3D bubble columns was taken as a studying object, expecting to find suitable turbulence model and boundary conditions for 2D and 3D simulation. For 2D computation, the inlet velocity conditions were evaluated, i. e. : ① the actual inlet velocity of 3D bubble column; ② an averaged inlet velocity with diffusion correction. Standard k-e turbulence model and RNG k-ε turbulence model were used. The numerical results show that 2D simulation using RNG k-e turbulence model and 3D simulation using standard k-e turbulence model can mimic the periodic plume oscillations in bubble columns. The results also confirm that the oscillations period can be predicted only when the corrected inlet velocity is employed for 2D simulation.%以二维和三维鼓泡塔内气液二相流动的动态特性为研究对象,寻找各自合适的湍流模型和边界条件设置.二维鼓泡塔的进口气速采用2种不同的方法:①实际进口速度法；②均值修正法.湍流模型选用标准κ-ε湍流模型、RNG κ-ε湍流模型.结果显示二维模拟使用RNG κ-ε湍流模型、三维模拟使用标准κ-ε湍流模型能够得到周期性的羽流摆动,且二维鼓泡塔的进口气速采用均值修正法能够得到较合理的摆动周期.【总页数】4页(P48-51)【作者】徐礼嘉;陈彩霞;夏梓洪;袁伯若【作者单位】华东理工大学煤气化及能源化工教育部重点实验室,上海200237;华东理工大学煤气化及能源化工教育部重点实验室,上海200237;华东理工大学煤气化及能源化工教育部重点实验室,上海200237;华东理工大学煤气化及能源化工教育部重点实验室,上海200237【正文语种】中文【中图分类】TQ021.1【相关文献】1.应用电导探针测定鼓泡塔内气泡参数 [J], 吕术森;陈雪莉;于广锁;于遵宏2.海底冷泉气泡羽流地震波数值模拟 [J], 段沛然; 栾锡武; 余翼; 谷丙洛; 任志明; 李青阳; 窦婧瑛3.气泡羽流摆动特性及附壁效应研究 [J], 程以炫;董恒瑞;闫睿奎;危卫4.鼓泡塔内气液两相流动力特性数值模拟研究 [J], 魏文礼;邵世鹏;刘玉玲5.超声场中鼓泡塔内气泡直径分布特征研究 [J], 邹华生;程小平;周超因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
鼓泡塔参考资料
183实验十六 鼓泡反应器中汽泡比表面及气含率的测定A 实验目的气液鼓泡的反应器的气泡表面和气含率，是判别反应器流动状态、传质效率的重要参数。
气含率是鼓泡反应器中气相所占的体积分率，也是决定气泡比表面的重要参数，测定的方法很多，有体积法、重量法、光学法等。
气泡比表面的测定有物理法、化学法等，己有许多学者进行了系统研究，确定了气泡比表面与气含率的计算关系，可以直接应用。
本实验目的为：（1） 掌握静压法测定气含率的原理与方法； （2） 掌握气液鼓泡反应器的操作方法； （3） 了解气液比表面的确定方法。
B 实验原理 （1） 气含率气含率是表征气液鼓泡反应器流体力学特性的基本参数之一，它直接影响反应器内气液接触面积，从而影响传质速率与宏观反应速率，是气液鼓泡反应器的重要设计参数，测定气含率的方法很多，静压法是较精确的一种，基本原理由反应器内伯努利方程而来，可测定各段平均气含率，也可测定某一水平位置的局部气含率。
根据伯努利方程有：⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎪⎭⎫⎝⎛+=dH dp g g L c G ρε1 (1) 采用U 型压差计测量时，两测压点平均气含率为：HhG ∆=ε (2) 当气液鼓泡反应器空塔气速改变时，气含率G ε会作相应变化，一般有如下关系：n GG u ∝ε (3)n 取决于流动状况。
对安静鼓泡流，n 值在0.7～1.2之间；在湍动鼓泡流或过渡流区，G u 影响较小，n 为0.4—0.7范围内。
假设 nGG ku =ε (4)则G G u n k lg lg lg +=ε(5)根据不同气速下的气含率数据，以G εlg 对G u lg 作图标绘，或用最小二乘法进行数据拟合，即可得到关系式中参数k 和n 值。
（2） 气泡比表面气泡比表面是单位液相体积的相界面积，也称气液接触面积，比相界面积，也是气液鼓泡反应器很重要的184参数之一。
许多学者进行了这方面的研究工作，如光透法、光反射法、照相技术、化学吸收法和探针技术等，每一种测试技术都存在着一定的局限性。
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性 的羽 流摆动 ， 且二维鼓 泡塔 的进 口气速采用均值修正法能够得到较合理的摆动周期。
关键词 ： 鼓泡塔 ； 数值模拟 ； 流体模 型 ； 双 湍流模 型
中图分类号 ：Ｑ ０ １ １ Ｔ ２ ． 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ：０ ５９ ５ （０ ２ ０ － ４ －４ １０ － ４ ２ １ ）９０ ８０ ９ ０
ｍｏ ｅ ｒ ｕ ｅ ｄ ｌｗｅ ｅ ｓ ｄ． Ｔｈ ｎ ｍｅ ｉａ ｒ ｓ ｌｓ ｈ ｗ ｔ ｔ ２Ｄ ｓｍｕｌｔｏ ｕ ｉ ｇ ｅ ｕ ｒｃ ｌ ｅ ｕ ｔ ｓ ｏ ｈａ ｉ ａｉｎ ｓｎ ＲＮＧ ． ｔｒ ｕ ｅ ｃ ｍｏ ｅ ａ ｄ ３Ｄ ｋ ｕ ｂ ｌｎ ｅ ｄ ｌ ｎ ｓｍｕ ａ ｉｎ ｕ ｉ ｇ ｓａ ｄａ ｄ ｋ ｓ ｔ ｒ ｕ ｅ ｃ ｄ ｌｃ ｎ ｍｉ ｃ ｔ ｅ ｏ ｃ ｐ ｕｍｅ ｏ ｃｌ ｔｏ ｎ ｂ ｂｂ ｅ ｃ ｌ ｍｎ ．Ｔ ｉ ｌ ｔ ｓｎ ｔｎ ｒ ． ｕ ｂ ｌ ｎ ｅ ｍｏ ｅ ａ ｍｉ ｈｅ ｐ ｒ ｄｉ ｌ ｏ ｉ ｓ ｉｌ ｉｎｓｉ ｕ ｌ ｏ ｕ ｓ ｈｅ ａ ｒ ｓ ｌｓ ａｓ ｏ ｆ ｍ ｈ ｔｔ ｅ ｏ ｃ ｌ ｔｏ ｅ ｉｄ ｃ ｎ ｂ ｒ ｄ ｃ ｅ ｎ ｙ ｗｈ ｎ ｔ ｅ ｃ ｒｅ ｔ ｄ ｉ ｌ ｔｖ ｌ ｃｔ ｓｅ ｌ ｙ ｄ ｅ ｕ ｔ ｌｏ ｃ ｎ ｒ ｔ ａ ｈ ｓ ｉｌ ｉｎｓｐ ｒｏ ａ ｅ ｐ ｅ ｉ ｔｄ ｏ ｌ ｅ ｈ ｏ ｃｅ ｎ ｅ ｅ ｏ ｉｙ ｉ ｍｐ ｏ ｅ ｉ ａ ｏ ｆｒ２Ｄ ｉ ｌ ｔ ｎ． ｓｍｕ ａ ｉ ｏ Ｋｅ ｒ ｙ ｗｏ ｄｓ： ｕｂ ｌ ｏｕ ｂ ｂ ｅ ｃ ｌ ｍｎ；ｎ ｕｍｅ ｃ ｌｓｍｕ ａｉ ｎ；ｔ — ｕ ｄ ｍｏ ｅ ；ｕ ｂ ｌｎ ｅ ｍｏ ｅ ｉ ｒ ａ ｉ ｌ ｔ ｏ ｗｏ ｆ ｉ ｄ ｌ ｔ ｒ ｕ ｅ ｅ ｄ ｌ ｌ
第４ ０卷 第 ９期
２１ ０ ２年 ９月
化 学 工 程 Ｃ Ｅ Ｃ ＬＥ Ｇ Ｎ Ｅ Ｉ Ｇ Ｃ Ｎ Ｈ ＭＩＡ Ｎ Ｉ Ｅ Ｒ Ｎ （ ＨＩＡ）
Ｖｏ ． ０ ． １ ４ Ｎｏ ９ Ｓ ｐ． ２ ２ ｅ ０１
鼓 泡 塔 内气 泡 羽 流 周期 性 摆 动 的数值 模 拟
徐礼 嘉 ，陈彩 霞 ，夏梓 洪 ，袁伯 若
ＤＯ ：０ ３ ６／．ｓｎ １０ －９４ ２ １．９ ０ Ｉ １．９ ９ ｊｉ ．０ ５９ ５ ．０ ２ ０ ．１ ｓ １
Ｎｕ ｅ ｉａ ｉ ｕ ａ ｉ ｎ ｏ ｕ ｂ ｅ ｐ ｕ ｅ ｐ ｒｏ ｉ ｓ ｉ ａ ｉ ｎ ｉ ｕ ｂ ｅ ｃ ｌ ｍ ｎ ｍ ｒｃ ｌｓｍ ｌ ｔｏ ｆｂ ｂ ｌ ｌ ｍ ｅ ｉ ｄ ｃ ｏ ｃｌ ｔｏ ｎ ｂ ｂ ｌ ｏ ｕ ｌ
ｃｍｐ ｔ ｉｎ ｔｅ ｎｅ ｖｌ ｉ ｏ ｄｔ ｎ ｅｅｅａ ａ ｄ ｉｅ ： ｔｅａｔａ ｉｌ ｅ ｃ ｙｏ ３ ｕ ｂｅ ｏｕ ｎ ｏ ｕａ ｏ ， ｈ ｌｔ ｅｏ ｔ ｃ ｎ ｉｏ ｓ ｒ ｖｌ ｔ ， ． ． ① ｈ ｃｕｌｎｅ ｖｌ ｉ ｆ ｂ ｂ ｌ ｃ ｌｍ ； ｔ ｉ ｃｙ ｉ ｗ ｕｅ ｔ ｏ ｔ Ｄ
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（ 华东理工大学 煤气化及能源化工教育部重点实验室 ，上海 ２ ０ ３ ） ０ ２ ７
摘 要： 以二维和三维鼓泡塔 内气液二相 流动 的动态特性 为研 究对 象 ， 找各 自合适 的湍流模 型 和边界条 件设 置。 寻
二维鼓泡塔 的进 口气速采用 ２种不 同的方 法 ： 实际进 口速度法 ； ① ②均值修 正法 。湍 流模 型选 用标准 ｜ｓ湍 流模 ｉ ｝ 一 型、 Ｎ － 流模 型。结果显示二维模拟使用 Ｒ Ｇｋ６湍流模型 、 Ｒ Ｇ ｋ８湍 Ｎ － 三维模拟使用标 准 ｋ６湍流模型能够得到周期 －