（化工过程机械专业论文）射流混合器的流场分析及结构优化.pdf

摘要 摘要 为解决大型工业装置中两股气体在有限空间及短时间内快速混合 的问题，本文设计了一种射流混合器，并采用c f d 技术对乙苯与水蒸 汽快速混合的射流混合器中三维流场与气气混合过程进行了数值模 拟，最后结合射流理论对速度场、压力场、湍动能及混合效果进行了分 析。 本文主要研究成果和结论如下： 1 建立物理上合理、计算上可行的射流混合器模拟的数学模型。 本文借助商用软件平台优势，分别采用多种湍流模型即标准k 一、r n g k 一、r e a l i z a b l ek 一模型，对文献中的射流混合器进行模拟计算，并 将各种模型所得到的结果与实验结果进行比较，按照与实验值相符、收 敛速度快、流场分布合理的原则，得出标准k 一湍流模型可用来模拟 射流混合器内的复杂流动过程。 2 通过模拟了几种不同形式混合器的流动过程，得出适合实际运 用的混合器。本文针对混合器内构件侧壁倾斜不同的角度，分别建立了 三种混合器几何模型，比较其速度矢量场、湍动能及混合浓度的变化情 况，指出侧壁倾斜1 1 4 。的混合器可达到较好的混合效果。 3 探讨了各种参数对混合器混合质量的影响规律。本文对影响混 合器混合质量的各种参数：动量比m s m b 、开孔直径d 、开孔面积s 及 混合长径比l d 等分别进行探讨，在此基础上建立了一个经验模型，用 于指导射流混合器结构设计，而且得出了本文所研究的射流混合器侧壁 最佳开孔直径d 、开孔面积s 。 4 比较侧壁最佳开孔情况下的混合器在不同动量比下的压力降和 湍动能分布，结合收敛情况，可选择合适的动量比m s m b 约为o 5 7 2 2 9 。 5 结合动量比m , m b 、开孔直径d 、开孔面积s 、混合长径比l d 武汉工程大学硕士学位论文 对混合器混合效果影响的规律和射流混合理论，可通过优化支管倾斜的 角度来优化射流混合器，并对优化前后射流混合器的速度矢量、压降、 湍动能进行了比较。结果表明优化的射流混合器是可行的。 关键词：射流混合器，流场分析，数值模拟，气气快速混合 a b s t r a c t t h i sp a p e rd e s i g n e daj e tm i x e ri no r d e rt os o l v eap r o b l e mt h a tt w o k i n do f g a sa r em i x e r e di nv e r ys h o r tp e r i o do ft i m ea n dl i m i t e ds p a c e i nt h i s p a p e rw e u s et h ec o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c st e c h n o l o g yt os i m u l a t et h e t h et h r e e - - d i m e n s i o n a lf l o wf i e l da n dm i x i n gp r o c e s so fg a s - g a si naj e tm i x e r f o rm i x i n gf a s te t h y l b e n z e n ea n dw a t e rv a p o u r t h e nt h ev e l o c i t yf i e l d ， p r e s s u r ef i e l d ，t u r b u l e n tk i n e t i ce n e r g ya n dm i x e dr e s u l t sw e r ea n a l y z e d ， c o m b i n e dt h et h e o r yo f j e t t h em a i nw o r ka n dr e s u l t so f p a p e ra r eg i v e na sf o l l o w s ： 1 i nt h i sp a p e r , i ts e l e c t e dat u r b u l e n c em o d e lw h i c hi ss u i t a b l ef o rj e t m i x e rn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h r e ep o p u l a rt u r b u l e n c em o d e l sw i t c ha le s t a n d a r dk 一m o d e l ，r e n o r m a l i z a t i o n g r o u p k 一m o d e la n dr e a l i z a b l e k 一m o d e lw e r eu s e di ns i m u l a t i n gt h ef l o wp r o c e s si naj e tm i x e ro f l i t e r a t u r e t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h er e s u l t sw i m s t a n d a r dk 一m o d e la r em o r ei d e n t i f i e dw i t ht h a to fe x p e r i m e n t a l r e s u l t s c o n s i d e r i n gt h a tt h ec a l c u l a t i o nt i m ew i t hs t a n d e r dk 一m o d e li st h e s h o r t e s t ，s t a n d a r dk 一m o d e lw a ss e l e c t e dt oa n a l y s et h ec o m p l e xp r o c e s s o f f l o wi na j e tm i x e r 2 i to b t a i n e dam i x e rs u i t a b l ef o rp r a c t i c a la p p l yb ys i m u l a t i n gf l o w p r o c e s si ns e v e r a lk i n d so fm i x e r s a c o r d i n gt ot h es i d ew a l l ，i n t e r n a lo f j e t m i x e r , t i l t i n gd i f f e r e n ta n g l ei n aj e tm i x e r ，i tm o d e l e dt h r e ek i n d so f g e o m e t r i cm o d e la n ds i m u l a t e df l o wp r o c e s si nt h r e ek i n do fm i x e r t h e m u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w st h a tt h em i x i n gr e s u l t si nam i x e rw i t h t h es i d ew a l lt i l t i n g11 4 0i sb e t t e rt h a no t h e rt w ok i n d so fm i x e r s 3 i td i s c u s s e dr e s p e c t i v e l yt h ev a r i o u sp a r a m e t e r si m p a c t i n go nt h e i i i 武汉工程大学硕士学位论文 m i x i n gq u a l i t y , s u c h a st h em o m e n t u mr a t i o m d m b ，t h ed i a m e t e ro f p o r t i f o r i u md ，t h e a r e ao fp o r t i f o r i u ms ，s l e n d e r n e s sr a t i o nl da n ds o o n b a s e do nt h er e s u l t s ，i tm o d e l e dae x p e r i e n c a lm o d e li no r d e rt og u i d i n g t h es t r u c t u r a ld e s i g no f j e tm i x e ra n do b t a i n e dt h eb e s td i a m e t e ro fh o l ed a n dt h ea r e ao f h o l es 4 t h es u i t a b l em o m e n tr a t i om s m bi s1 2 9 n 2 2 9b yc o m p a r i s i o no f t h et h ec h a n g eo ft h ep r e s s u r ed r o pa n dt h et u r b u l e n tk i n e t i ce n e r g yo ft h i s m i x e r u n d e rd i f f e r e n tm o m e n t u mr a t i o ，c o m b i n e d t h es i t u a t i o no f c o n v e r g e n c e 5 c o m b i n e dt h el a wo ft h em o m e n t u mr a t i om g q v i b , t h ed i a m e t e ro f p o r t i f o r i u md , t h ea r e ao fp o r t i f o r i u ms ，s l e n d e r n e s sr a t i o nl de f f e c t i n g m i x e dr e s u l t sw i t hj e t m i x i n gt h e o r y , i to p t i m i z a t e d a j e t m i x e rb y o p t i m i z a t i n gt h et i l t i n ga n g l eo ft h eb r a n c hp i p ea n dc o m p a r a t i v e dt h e v e l o c i t yf i e l d ，p r e s s u r ef i e l d ，t u r b u l e n tk i n e t i ce n e r g ya n dm i x e dr e s u l t si n o p t i m i z a t i n ga n do r i g i n a lm i x e r s i ts h o w e dt h a tt h eo p t i m i z a t i n gj e tm i x e r i sf e a s i b l e k e yw o r d s ：j e t m i x e r , a n a l y s i s o ft h ef l o wf i e l d ，n e m i c a l s i m u l a t i o n s ， g a s g a sr a p i dm i x i n g i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对 本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：主1 五牟 2 d d g 年月q 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解我院有关保留、使用学位论文的规定， 即：我院有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅。本人授权武汉工程大学研究生处可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密o ，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：刁五华 2 口0 8 年6 月牛日 指导教师签名： 纱孚彩月夕日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景及意义 在工业生产中，凡是涉及物理和化学变化的过程都会遇到混合操 作。在食品、药品、造纸、塑料等许多过程中，混合是一个核心问题， 而在化学工业、石油加工业中更是大规模地使用混合操作【n 。在化工过 程中，两股气体的混合或反应器段问的气体混合是常见的单元操作。但 是由于受工艺条件或装置的限制，某些混合操作往往要求在有限的混合 空间和很短的混合时间内完成，且又要求在两种介质体积比高、温差大、 允许压降小以及混合均一度要求高等条件下，相应混合器的设计十分困 难。国内外都曾经发生因混合质量欠佳而严重影响反应过程，以至使反 应器不能正常操作【2 3 】。因此，设计高效的气气混合设备，实现气气的 初始快速混合，对于提高产品的质量、减少副产物的收率、优化整个过 程具有重要的意义。 苯乙烯是石油化工重要的基本原料之一，目前世界上已有4 0 多个 国家生产苯乙烯，生产能力己超过2 1 0 0 0k t a ，目前苯乙烯的工业生产 方法除乙苯共氧化法外，主要以乙苯催化脱氢为主，其产量占世界总产 量的8 5 以上。我国苯乙烯装置现有生产能力约8 6 0k t a ，燕山、齐鲁、 茂名、扬巴、吉化采用l u m m u s m o n s a n t o u o p 技术，大庆、盘锦、 广州采用f i n a b a d g e r 技术，抚顺、兰州、大连采用我国主开发的负压 脱氢轴径向反应器技术【4 】。 大庆石化总厂新建1 0 万吨年乙苯脱氢反应装置，在乙苯脱氢反应 之前，乙苯与水蒸汽必须经过完全的混合，如果混合质量不佳，将严重 影响反应过程。受大庆石化总厂技术开发中心的委托，我们对大型乙苯 脱氢装置中混合系统进行开发研究。其基本要求是：在有限的混合空间 和短时间内，在许可的压降条件下，实现两种不同气体介质的快速混合。 武汉工程大学硕士学位论文 研究采用射流混合器对两股流体进行预混，预混后的流体再经过静态混 合器进一步混合。 1 2 混合器发展现状 1 2 1 流体混合技术概述 流体混合是将两种或多种不同的流体掺杂在一起，经搅拌等操作以 形成一种均匀混合物的物理过程。流体混合过程可以从微观与宏观两个 不同的角度来进行理解。微观上，混合实际上就是不同的流体分子之间 的相互混杂过程，其混合的动力主要来源于分子的布朗运动，这一类混 合实际上又被称之为扩散。而从宏观上看，流体混合则是由于某一流体 的对流作用而形成的不同流体之间相对位置的重新分布，从而导致各种 流体相互混杂，这一类混合的动力均来自于外加的机械搅拌或其它的一 些混合操作，所以又称为机械混合。通常所说的流体混合都是指机械混 厶【l ，5 】 口 。 流体混合是自然界和各种生产过程中都广泛存在的过程，许多原因 引起人们对混合的兴趣。例如传热学中流体混合产生对流热传导使温度 分布均匀。在天体物理学和燃烧学中，通常研究湍流引起的混合。在化 工生产过程中，研究射流引起的混合。射流具有显著强化流体热质传递 和微观混合的特性，因而在快速混合过程中具有较高的开发价值，目前 国内外已经开发了多种形式的以射流进行流体混合的混合器【6 1 。 1 2 2 混合设备概述 目前市场上所供应的混合设备种类繁多，例如各种机械搅拌槽、喷 射混合器、在线静态混合器、在线动态混合器、分散研磨机、阀式均化 器、超声波均化器、挤出机等。靠机械转动驱动的搅拌机是目前混合搅 2 第1 章绪论 拌操作中的主流，但这种具有机械转动部分的搅拌机，已难以满足近年 来对于工艺连续化、高效化、省力化、节能化、装置小型化以及免除经 常性的维修等方面的迫切要求。为此，静态混合器、射流混合器应运而 生。 在化学工业中，应用“静态混合器，【7 】来实现两股流体快速混合是 非常普遍的。它是用管道或设备内放置的若干静止不动的混合元件对通 过的物料进行多次分割、移位达到混合的目的。 另一种广泛使用的混合器是“射流混合器”。射流混合器是利用高 速射流卷吸效应，使两股流体快速混合均匀。射流混合与常用的机械搅 拌相比，其能耗低、无转动部件，所以，对于相同的处理量，射流混合 系统的投资费用比机械搅拌混合系统低得多，特别适合于低粘度流体的 快速混合【1 】。 本文主要研究“射流混合器”，模拟射流混合器流场、湍动能、压力 场及混合浓度场的变化等。 1 2 3 射流混合器概述 射流混合器是2 0 世纪6 0 年代发展起来的一种新型高效化工单元设 备，是没有转动部件、借助于分布器内构件产生湍流的构造体，适合于 低粘度流体的快速混合、吸收、反应、分散、强化传热等方面，已经广 泛应用于化工、石油、环保、食品、医药等工业【l 捌。 射流混合器利用高速射流卷吸效应，使两股流体混合均匀。射流混 合器与机械搅拌器相比，没有运动部件，具有独特性能的混合机构。其 主要优点剁i 】：多相传质性能好；传热能效大；单位体积输入功 率大；操作弹性好；反应器结构简单，无运动部件，节约能耗且便 于反应过程的连续化；传质速率和混合效果对反应器规模依赖程度 小，便于工程放大；操作简单，维护方便，维修费用低；用途广泛。 武汉工程大学硕士学位论文 在国外射流混合器的应用已非常广泛，国内对射流反应器的研究相 对较为滞后，7 0 年代开始有文献报道，到目前为止己在不少的化工单元 操作中发挥作用，并取得了良好的工艺效果和显著的经济效益。但由于 混合装置中流体的流动常具有随机性、非线性等不确定因素，理论处理 极为困难，加上气气混合过程应用研究和工程开发不像换热器那样成 熟，更无设计规范，射流混合器的应用还未得到人们的普遍重视和认识 【8 一。目前大多数研究都是通过增大速度梯度g 值，提高两股流体的碰 撞和传质速率，使混合时间缩短而混合效率提高，提高了混合质量，从 而使后续反应设备能高效率运作。随着对这种高效节能装置开发研制工 作的不断深入，相信它将得到更加广泛的应用。 1 3 射流混合器的研究现状 1 3 1 射流混合器的研究方法 目前，实验研究、理论分析和数值计算已经成为研究流体力学三种 主要方法，对于射流混合器中流动的研究也不外如此。实验研究的优点 是获取数据可靠，其缺点是成本高、实验周期长、数据有限，另外实际 流动受到各种参量控制，在实验过程中很难获得某个具体参量对实验结 果影响程度。理论分析是利用简化的流动模型假设，给出所研究问题的 解析解或简化方程，它的优点是获取的数据准确，可以了解各个参量对 结果的影响程度，但是理论分析仅仅对一些简单几何形状和简单流动适 用，对于工业中实际的复杂流动往往无能为力。计算流体动力学【1 9 - 2 6 ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) 作为一种新的研究方法近年 来取得了长足进步，它的优点是成本低、获取数据快捷、获得数据量丰 富、对复杂几何形状的适应能力强；而且它可以在计算中通过利用控制 某些参量的方法，来对流动的一些情况进行数值研究，探讨各个参量对 计算结果的影响。它的缺点是对计算模型的依赖比较大。 4 第1 章绪论 1 3 2 射流混合器的研究进展 人们从2 0 世纪6 0 年代开始对射流混合过程进行研究，但是受到研 究手段的限制，起初的研究主要是定性的经验规律研究。如f o m e y t l 0 】 等在大量实验的基础上定性地总结了错流射流混合过程的经验规律，考 察射流混合器的结构参数、射流体与主流体之间的动量比等因素对混合 过程的影响，为该类混合器的设计、过程优化提供了经验数据。t o s u n t l l 】 等则采用竞争反应体系评价混合过程的时间尺度，用反应产物的选择性 半定量、间接地研究射流混合过程。z u 曲b i t l 2 】等通过测量两股不同温度 的水射流混合后的温度场分布研究射流混合设备的混合特性。国内俞丰 【2 ，3 ，8 】等对气气单相流射流混合装置进行了研究。在冷模试验中两股气体 均为空气( 其中一股气体加入标示物) ，通过气相色谱分析，对影响混 合质量的各种参数进行了探讨，并建立了一个经验模型。李本祥【l3 】等对 一种新的气固催化氯化反应混合器一涡轮射流混合器进行了研究。在 冷模试验中，通过氧气浓度测定仪测定混合器出口不同截面径向位置上 的氧气浓度，对影响混合质量的各种参数进行了探讨，并建立了一个经 验模型。 近年来，流场测试技术的发展为从微观尺度上揭示混合过程的机 理、定量表征混合过程的时空尺度提供了科学的实验手段。许多研究者 采用无干扰流场测试技术对射流混合过程的流场进行测量，h a v e n 【1 4 】等 采用p i v l i f 技术详细研究了错流射流孔的形状对射流混合过程的影 响，p a n t l 5 1 、m o r t e n s e n t l 6 1 、b o u a i f i t l 7 1 、g o r d o n t l 8 1 等也分别借助p i v 或 者p l i f 技术，定量研究射流混合过程的速度场分布和浓度场分布，揭 示射流混合过程的微观机理。 在实验手段研究射流混合过程的同时，c f d 也逐渐成为研究混合过 程的重要理论方法。m o r t e n s e n 1 5 】、b o u a i f i t 阍、g i o r g e s 2 7 1 、w e g n e r t 2 8 1 、 j a h n k e t 2 9 3 0 】等分别对射流混合过程的流场分布、混合时间尺度等进行了 武汉工程大学硕士学位论文 数值模拟。v a nv l i e t 3 1 】等同时考虑了物理混合过程和化学反应的影响， 通过c f d 手段预测了错流射流混合过程中，竞争反应产物的收率和选 择性，并与实验结果进行了比较。b a l d y g a t 3 2 等则预测了射流混合器内 快速液液反应制备b a s 0 4 固体颗粒的粒径分布情况以及颗粒之间的聚 团行为，数值模拟预测结果与实验结果基本吻合。w a n g t 3 3 】等采用不同 的微观混合模型，对射流反应器内的纳米颗粒生长过程进行了c f d 模 拟，并对不同的模型得到的结果进行了比较。 国内陈翼【3 4 】等用c f d 商业软件c f x 4 4 对射流混合器内气体湍流扩 散过程进行数值模拟，并与实验结果进行比较。关晖、吴锤结【3 5 】等运用 三维变密度不可压计算流体力学方法对微型y 形冲击射流进行流动结 构研究。王卫东【3 6 】采用三维s i m p l e 程序和k 一双方程湍流模型对三 维受限垂直射流进行数值模拟，研究了不同的几何变量和流动参数对射 流穿透和混合的影响。 1 4c f d 技术概况 任何流体运动的规则都是由以下三个定律为基础的：质量守恒定 律，动量守恒定律和能量守恒定律。这些基本定律可由数学方程来描述， 如e u l e r 方程、n s 方程。采用数值计算的方法，通过计算机来求解这 些数学方程，研究流体运动特性，给出流体运动空间定常或非定常流动 规律，这一学科就是计算流体力学。从6 0 年代开始c f d 技术已经被用 于航空工业中飞机、发动机的设计和生产中。起初，c f d 被认为是只适 用于高技术工业，而且只有经过特殊训练的专业人员才能使用。从8 0 年代中期至今，随着计算机和商业c f d 软件的发展，简单的操作平台 和友好的用户界面使得c f d 的应用更加普及，其应用领域更加广泛， 比如航空、水力、电力、化工、冶金、生化工程等。它能够详细地求解 复杂的工程流动问题，研究其机理，而实验却做不到。建立c f d 模型 6 第1 章绪论 包括以下关键的几个步骤： ( 1 ) 给出描述流场的数学方程； ( 2 ) 能够得到数学方程的合理的离散化方程； ( 3 ) 产生足够精度的离散流场几何区域的计算网格； ( 4 ) 合理求解离散化方程的数值解法。 1 4 1 常用的c f d 软件 著名的主流c f d 处理软件主要有：p h o e n i c s ，s t a r c d ，c f x ， f l u e n t 等多个商用c f d 软件，这些软件的显著特点是： ( 1 ) 功能比较全面、适用性强。几乎可以求解工程界中的各种复杂 问题。 ( 2 ) 具有比较易用的前后处理系统和与其它c a d 及c f d 软件的接 口能力，便于用户快速完成造型、网格划分等工作。同时，还可让用户 扩展自己的开发模块。 ( 3 ) 具有比较完备的容错机制和操作界面，稳定性高。 ( 4 ) 可在多种计算机、多种操作系统，包括并行环境下运行。 1 4 2f l u e n t 软件简介 1 9 , 2 0 2 6 】 f l u e n t 软件是美国f l u e n ti n c 于19 8 3 年推出的，是继p h o e n i c s 软件之后投放市场的基于有限容积法的软件。f l u e n t 是基于非结 构化网格的通用c f d 求解器，针对非结构性网格模型设计，是用有限 容积法求解不可压缩流场及中度可压缩流场问题的c f d 软件。f l u e n t 软件可分为三部分：前处理模块、结算模块和后处理模块。前处理模块 有专门的建模即网格划分软件g a m b i t ，其几何内核为a c i s ，它提供 流体区域内面、体的网格划分，边界条件类型的设置。f l u e n t 解算模 块有许多模型可供选择。f l u e n t 的后处理模块，可以给出所有迭代变 7 武汉工程大学硕士学位论文 量，如流场、压力( 静压、动压、全压) 场、速度场、温度场等各种可 视图来供分析处理。 f l u e n t 的软件设计基于c f d 软件群的思想，从用户需求角度出 发，针对各种复杂流动的物理现象，f l u e n t 软件采用不同的离散格式 和数值方法，以期在特定的领域使计算速度、稳定性和精度等方面达到 最佳组合，从而高效率地解决各个领域的复杂流动计算问题。基于上述 思想，f l u e n t 开发了适用于各个领域的流动模拟软件，这些软件能够 模拟流体流动、传热传质、化学反应和其它复杂的物理现象，软件之间 采用了统一的网格生成技术及共同的图形界面，而各软件之间的区别仅 在于应用的工业背景不同，因此大大方便了用户。 凡是跟流体、热传递及化学反应等有关的工业均可使用f l u e n t 软件，应用的范围有湍流、传热、化学反应、混合、旋转流( r o t a t i n gf l o w ) 及激波等。它具有丰富的物理模型、先进的数值方法以及强大的前后处 理功能，在航天航空、汽车设计、石油天然气、涡轮机设计等方面都有 着广泛的应用。在涡轮机及推进系统分析都有相当优秀的结果，并且对 模型的快速建立及激波捕捉都有相当好的效果。其在石油天然气工业上 的应用包括：燃烧、井下分析、射流控制、环境分析、油气消散聚积、 多相流、管道流动等。 f l u e n t 软件是目前世界领先地位的c f d 软件之一，针对每一种 流动的物理问题的特点，采用适合于它的数值解法使计算速度、稳定性 和精度等各方面达到最佳。f l u e n t 提供了良好的网格特性，使用 g a m b i t 专用前处理软件，可以读入多种c a d 、c a e 软件的结构模型， 有“分离”和“耦合”两种求解器。计算的结果可以用云图、等值线图、矢 量图、x y 散点图等多种方式显示、存储和打印，还可以传给c f d 或 f e m 软件。 1 4 3f l u e n t 软件的模型 第1 章绪论 对于湍流的模拟，f l u e n t 软件提供了一系列比较完整的湍流模 型，可供不同要求的问题选择。其中在f l u e n t 6 0 版本中包括的一方 程模型有s p a l a r t a l l m a m s 模型，两方程模型有k 一模型、k - t o 模型以 及完全雷偌中还新增加了大涡模拟( l e s ) 。以上这几种湍流模型对于 计算机的内存需求以及时间的消耗按顺序依次增加。 对于两相流，f i i 厄n t 提供了几种模拟方法供选择，包括 e u e l r i a n e u l e r i a n 方法和e u l e r i a n l a g r a n g i a n 方法。对于e u e l r i a n e u l e r i a n 方法，f l u e n t 又提供了以下三种模拟模型：v o f 模型、m i x t u r e 模型 和e u l e r i a n 模型。 1 4 4 使用f l u e n t 软件的优势 f l u e n t 软件是个工程运用的c f d 软件，针对每一种流动的物理 问题的特点，采用适合于它的数值解法在计算速度、稳定性和精度方面 达到最佳。可以计算流场、传热和化学反应。其思想实际上就是做很多 模块，这样只要判断是哪一种流场和边界就可以拿已有的模型来计算。 f l u e n t 软件能推出多优化的物理模型，如定常和非定常流动；层 流( 包括各种非牛顿流模型) ；紊流( 包括最先进的紊流模型) ；不可压 缩和可压缩流动；传热；化学反应等等。对每一种物理问题的流动特点， 有适合它的数值解法，用户可对显式或隐式差分格式进行选择，以期在 计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳。f l u e n t 将不同领域的计算 软件组合起来，成为c f d 计算机软件群，软件之间可以方便地进行数 值交换，并采用统一的前、后处理工具，这就省却了科研工作者在计算 方法、编程、前后处理等方面投入的重复、低效的劳动，而可以将主要 精力和智慧用于物理问题本身的探索上。 9 武汉工程大学硕士学位论文 1 5 本文主要研究内容 本文主要研究内容是对射流混合器进行数值模拟。在本文中主要利 用f l u e n t 软件对射流混合器的流场、压力场、湍动能及混合效果进 行数值模拟。通过模拟得出流速矢量、湍动能及组分浓度的分布图，比 较模拟结果可以得出适合于实际工程中的侧壁射流混合器；接着对影响 混合质量的几个参数：动量比m 卵v i b 、开孔直径d 、开孔面积s 、长径 比加进行了探讨，在此基础上得出侧壁最佳开孔直径d 、开孔面积s 及长径比l d ；并建立建立了一个经验模型，用于指导射流混合器结构 设计；最后可通过优化支管倾斜的角度来优化射流混合器，比较优化前 后混合器的流场、压降、湍动能、混合浓度等，并由比较验证其合理性。 本课题旨在利用c f d 软件_ f l u e n t 进行数值模拟，结合理论 分析，建立适当的物理模型，对其内部介质的流动过程进行研究，并为 优化设计提供依据。 1 0 第2 章射流混合器理论模型与方法 第2 章射流混合器理论模型与方法 在对射流混合器的模拟过程中，不同的模型在模拟精度、计算量、 合理性和经济性上有各自特点，因此，选择运行模型要根据具体问题的 特点决定。选择的一般原则是：精度高、应用简单、节约计算时间同时 具有通用性。这里介绍了湍流流动模型和气气单相流模型的选择。 2 1 湍流的数值模拟方法简介 1 9 , 2 1 , 2 3 ，2 4 】 湍流的数值模拟方法包括直接模拟法、大涡模拟法与雷诺时均方程 三种方法。 2 1 1 直接模拟法( d n s ，d i r e c tn u m e r i a ls i m u l a t i o n ) 又叫完全模拟，是对湍流最基本的模拟方法。不引入任何湍流模型， 而用电子计算机数值求解完整的三维非定常流的n a v i e r - s t o k e s 方程，对 湍流的瞬时运动进行直接的数值模拟，感兴趣的各种统计平均量可以通 过再做平均运算来得到。这样做有很多优点：首先，方程本身是精确的， 仅有的误差只是由数值方法所引入的误差；其次，数值模拟可以提供每 一瞬间所有流动量在流场上的全部信息，特别有意义的是能提供很多在 实验上目前还无法测量的量，这就可以用直接数值模拟的结果来检验各 种湍流模型，包括大涡模拟方法中的亚格子尺度模型，为发展新的湍流 模型提供基础数据；第三，在数值模拟中流动条件可得到精确的控制， 可以对各种因素单独的或交互作用的影响进行系统的研究，这在实验室 条件下通常也是难以做到的；第四，在某些情况下，实验室模拟非常昂 贵，非常危险，有时甚至是不可能实现的，于是湍流直接数值模拟就成 为提供预测的唯一手段。但是湍流的直接数值模拟一直受到计算机速度 与容量的限制，对高度复杂的湍流运动进行直接的数值计算，必须采用 武汉工程大学硕士学位论文 很小的时间与空间步长，才足以分辨最小涡的运动，这是目前计算机容 量及速度所不能实现的。因此，d n s 方法仅限于很小空间内雷诺数较低 和边界条件较简单的湍流流动模拟，如槽道流动与平板边界层流动。目 前，d n s 方法还无法用于具体工程中。 ” 2 1 2 大涡模拟法( l e s ，l a r g ee d d ys i m u l a t i o n ) 湍流流动是由许多大小尺度不同的涡旋组成，大尺度的涡旋对平均 流动影响比较大，各种变量的湍流扩散、热量、动量、能量的交换以及 雷诺应力的产生都是通过大尺度涡旋来实现的，而小尺度涡旋主要对耗 散起作用，通过耗散脉动来影响各种变量。目前在计算机能力所容许的 可能采用的计算网格尺度，仍比最小涡尺度大得很多的情况下，只能放 弃对全部尺度范围上的涡运动都进行数值模拟的奢望，改为只将比网格 尺度大的大涡运动通过数值求解瞬时的从n a v i e r - s t o k e s 方程直接计算 出来，而对于比网格尺度小的小涡运动对大尺度运动的影响则通过建立 模型来模拟。这就是大涡模拟的基本思想。所以，在一定的意义上，大 涡模拟是介于直接数值模拟与一般模式理论之间的折中物。用于模拟小 涡运动对大尺度运动的影响的模型称为亚网格尺度模型( s u b g r i ds c a l e m o d e l ) 。 由于小尺度涡运动受流动边界条件和大涡运动的影响甚少，且近似 是各向同性的，所以比较有可能找到一个广泛适用的模型；同时因为流 动中的大部分质量、动量或能量的输运主要来自大涡运动，这部分贡献 现在可以直接计算出来，需要通过模型提供的部分只占很小的份额，因 而总体的结果对模型的不可靠性不甚敏感。大涡模拟与直接数值模拟一 样，计算必须是三维的和非定常的流动。 2 1 3 雷诺时均方程法( r a n s ，r e y n o l d sa v e r a g es i m u l a t i o n ) 1 2 第2 章射流混合器理论模型与方法 多数观点认为，由于n a v i e r - s t o k e s 方程的非线性使得用解析的方 法精确描写三维事件相关的全部细节极端困难，即使能真正得到这些细 节，对于解决实际问题也没有太大的意义。这是因为，从工程应用的观 点上来看，重要的是湍流所引起的时均速度场、温度场、湍流脉动时均 特性等的变化，是整体效果。所以，人们想到了求解时均化的n s 方程， 而将瞬态的脉动量通过某种模型在时均化的方程中体现出来，由此产生 了雷诺时均方程法。其基本思想是利用某些模拟假设，将雷诺时均方程 或湍流特征量的输运方程中的高阶未知关联项用低阶关联项或时均量 来表示，从而使雷诺时均方程封闭。 这种方法是目前可用于工程的现实模拟方法，也就是目前常说的 “湍流模型。湍流模型的方法是目前处理工程问题最有效而且最有希 望的方法。 以雷诺时均方程法为基础的湍流模型可以分为两大类：第一类是雷 诺应力模型( r s m ，r e y n o l d ss t r e s sm e t h o d ) ，这种模型的基本思想是 直接构建表示雷诺应力的方程，然后联立求解时均连续方程、雷诺方程、 输运方程及新建立的雷诺应力方程。若雷诺应力方程为微分形式，称为 雷诺应力方程模型。若将雷诺应力方程的微分形式简化为代数方程的形 式，则这种模型为代数应力方程模型。第二类是涡粘( 湍流粘性) 模型， 这种模型不直接处理雷诺应力项，而是引入湍动粘度( t u r b u e i n t v i s c o s i y t ) 或称涡粘系数( e d d yv i s c o s i y t ) ，然后把湍流应力表示成湍动粘度的函数。 湍动粘度的提出源于b o u s s i n e s q 提出的涡粘假设。依据确定湍动粘度的 微分方程数目，可将这种模型分为：零方程模型、一方程模型、两方程 模型等。目前两方程模型在工程中使用的最为广泛，最基本的两方程模 型是标准k 一模型，即分别引入关于湍动能k 和耗散率的方程。此 外还有修正的两方程模型，比较著名的是r n gk 一模型和r e a l i z a b l e k 一模型。 1 3 武汉工程大学硕士学位论文 2 2 湍流模型的比较 以下主要比较的是标准k e 两方程模型和修正的两方程模型( r n g k 一模型和r e a l i z a b l ek 一模型) 。 2 2 1 标准两k g 方程模型 标准k 一两方程模型是目前使用最广泛的湍流模型。该模型是由 l a u n d e r 和s p a l d i n g 于1 9 7 2 年提出的。在关于湍动能k 的方程的基础 上，再引入一个关于湍动耗散率的方程，便形成了标准k 一模型。 多年来国际上的广泛应用证明了此模型对于不同的湍流流场都具有尚 可接受的准确性，并具有简单及快速等优点。 对于标准k 一两方程的适用性，有如下几点需要建议：( 1 ) 模型中 的有关系数虽有广泛的适应性，但需要在数值计算过程中，针对特定问 题，参考相关文献研究寻找更合适的取值；( 2 ) 标准k 一两方程是一 种针对高雷诺数的湍流计算模型，当雷诺数比较低时，如近壁区湍流发 展不充分的流动，应采取壁面函数法或低雷诺数k 一模型；( 3 ) 标准 k 一模型用于强旋流、弯曲避免流动或弯曲流线流动时，会产生一定失 真。原因是在此模型中，对于雷诺应力的各个分量，假定粘度系数是各 向同性的标量。在弯曲流线的情况下，湍流是各项异性的，粘度系数应 该是各项异性的张量。为弥补此缺陷，提出了修正的k 一模型。 2 2 2 修正k 一8 模型( i gk 一模型和r e a l i z a b l ek 一模型) 对于没有旋流或计算区域变化不大的流动，标准k 一模型能进行相 当好的预测，但对于边界复杂、旋流现象明显的流动情况，就必须借助 其他更有效、更准确的模型来进行计算。 2 2 2 1r n gk - 模型 1 4 第2 章射流混合器理论模型与方法 r n gk e 模型是由y a k h o t 和o r z a g 提出的。重整化群( r n g ， r e n o r m a l i z a t i o ng r o u p ) 是一种用于构筑许多物理现象之模型的通用方 法。该方法起源于量子力学和高能物理中对于基本粒子场的研究。 r n gk 一模型与标准k 一模型比较发现： ( 1 ) 通过修正湍动粘度，考虑了平均流动中的旋转及旋流流动情况； ( 2 ) 在方程中增加了一项，从而反映了主流的时均应变率，r n g k 一模型的产生项不仅与流动情况有关，在同一问题中还是空间坐标的 函数。 r n gk 一模型可以更好的处理高应变率及流线弯曲程度较大的流 动。但是，应注意r n gk e 模型仍是针对充分发展的湍流有效的。 2 2 2 2r e a l i z a b l ek 一模型 标准k 一模型对时均应变率较大的情况，可能出现负正应力。为使 流动符合湍流的物理规律，需要对正应力进行某种数学约束。从而提出 了r e a l i z a b l ek 一模型。 与标准k 一模型比较发现，r e a l i z a b l ek 一模型的主要变化是： ( 1 ) 湍动粘度计算公式中引入了与旋转和曲率有关的内容； ( 2 ) 方程发生了很大变化，现在的形式更好地表示了光谱的能量 转换； ( 3 ) 方程中的倒数第二项不具有任何奇异性，这是两者的较大区 别。 r e a l i z a b l ek 一模型有效的用于不同类型的流动模拟，包括旋转均 匀剪切流、包含射流和混合流的自由流动、管道内流动、边界层流动， 以及带有分离的流动等。 2 3 射流混合器湍流理论研究 武汉工程大学硕士学位论文 为实现在大型工业装置中两种气体介质在有限空间及短时间内快 速混合，应用错流射流快速混合技术利用射流的碰撞及卷吸所产生 的流动特性促进两股气体的快速混合，设计了一种气体射流混合器。 2 3 1 混合机理【1 , 4 1 对于高粘度液体( 粘度在1 0 p a s 以上) 之间的混合过程通常为层流 混合。根据层流混合理论，产生混合的主要原因是由于对流作用而形成 的不同流体之间相对位置的重新分布，从而导致各种流体相互混杂的过 程，这是一个非机械过程，由混合器内流场的流动特性决定，同时在分 子尺度，分子的布朗运动而产生扩散作用，驱动流体分子从浓度高处向 浓度低处扩散，促使流体达到分子级均匀混合。 对于大多数的化工生产过程，物料的粘度比较低，一般在1 0 p a s 以下，此时常通过流体之间的强烈湍流实现混合。湍流混合的机理比较 复杂，一般来说，当两束流体相遇后，将发生如下混合过程。 ( 1 ) 宏观混合：在混合的初期，流体内部由于湍流作用存在较大的 旋涡。随着混合过程的进行，较大的旋涡在湍流拉伸、剪切作用下，通 过互换位置进行物质传递，同时能量从大旋涡传递到小旋涡。从大于旋 涡尺寸的观察尺度来看，达到了宏观浓度的均匀性。而在比旋涡尺寸更 小的尺度上，并没有发生明显的混合。