论文部分内容阅读
内环流反应器被越来越多地应用到生物、环境、石油化工等领域。随着计算技术的发展，CFD（Computational Fluid Dynamics）模拟方法成为内环流反应器设计和优化的重要途径。本文的研究重点是考察各种CFD子模型对不同环隙比（下降管横截面积/提升管横截面积，Ad/Ar）的内环流反应器流体流动特性的影响。 第1章综述了内环流反应器的实验与模拟研究成果。第一部分重点介绍了内环流反应器内流体力学参数（如气含率、循环液速和气泡粒径）的测量方法以及影响因素，并对反应器内的流型做了简要的介绍。第二部分重点介绍了欧拉—欧拉模型的控制方程和子模型的相关理论，以及近年来CFD模拟方法在内环流反应器中的研究进展。 第2章研究了不同的曳力模型、湍流模型、升力模型以及气泡粒径大小对大环隙比(Ad/Ar=3.97)的气升式环流反应器CaseA提升管和下降管的轴向液速和气含率的影响。分析发现提升管表观气速在一定的范围内（0.01～0.075m/s）时，曳力模型决定了是否可以模拟出下降管中的气体，而曳力模型和湍流模型共同决定了气含率模拟结果的准确性。4种传统的曳力模型（Schiller-Naumann、Tomiyama、Ishii-Zuber和Grace）无法预测出下降管含气的现象，由EMMS（Energy-Minimization Multi-Scale）理论发展而来的DBS-Local(Dual-Bubble-Size，DBS)曳力模型与Standard k-ε湍流模型组合，对气含率的预测值与实验值最为接近。气泡诱导湍流模型(Troshko-Hassan)对模拟结果影响不大。气泡粒径大小对气含率和轴向液速具有重要的影响。但是本文所用到的PBM(Population Balance Model)模型并没有有效地改善下降管无法预测出气体的现象。 第3章研究了不同的曳力模型和升力模型对小环隙比(Ad/Ar=1.55)气升式内环流反应器CaseB流体力学特征参数的影响。除Schiller-Naumann曳力外，其他3种传统的曳力模型可以预测出下降管含气的现象，但预测值与实验值相差较大。而DBS-Local曳力模型对气含率的预测值与实验值最为吻合。在小环隙比的气升式内环流反应器CaseB中，升力的影响不可忽视。而在大环隙比的环流反应器CaseA中，升力并不占据主导因素。 为了验证DBS-Local曳力模型的适用性，第4章将DBS-Local曳力模型应用到环隙比更小的内环流反应器(CaseC，Ad/Ar=0.95)中。该曳力模型不仅可以预测出反应器内三种流型，而且提升管气含率预测结果与实验吻合。最后，第5章对本论文进行了总结，并对未来工作进行了展望。