CFD研究短导流筒对鼓泡塔流体动力学的影响

1、CFD研究短导流筒对鼓泡塔流体动力学的影响Vol .36No .22010-04华东理工大学学报(自然科学版) Journal of East China University of Science and Tech nology (Natural S cien ce Edition )收稿日期:2009-04-07作者简介:李光(1982-),男,湖南人,博士生,研究方向:多相反应器。通讯联系人:戴干策,E -mail :gcdai ecu st .edu .cn 文章编号:1006-3080(2010)02-0173-07 CFD 研究短导流筒对鼓泡塔流体动力学的影响李光1,杨晓钢2,戴干

2、策1(1.华东理工大学化学工程联合国家重点实验室,上海200237;2.Scho ol o f Science and Technolo gy ,Glyndw r University ,Wrexham LL112AW ,UK ) 摘要:采用双流体模型及k -湍流模型模拟研究了短导流筒内构件对鼓泡塔流体力学性能的影响。共模拟了4种鼓泡塔,即简单鼓泡塔和3种安装有导流筒的鼓泡塔,塔径D 均为190mm ,导流筒离底距离分别为0.5D 、1.0D 、1.5D ,导流筒直径为0.7D ,长度为1.0D 。结果表明,简单鼓泡塔模拟结果与文献实验值吻合较好;安装导流筒后,导流筒下游气含率和轴向液相速度径

3、向分布更为均匀,并且在不降低整体气含率的情况下,显著提高了鼓泡塔底部的液相轴向脉动速度,将有利于三相鼓泡塔内的固体颗粒悬浮。关键词:计算流体力学;短导流筒;鼓泡塔;双流体模型中图分类号:TQ021.1;TQ027.3文献标志码:AInfluence of Short -Draft Tube on Fluid Dynamics inBubble Column with CFDLI Guang 1,Y A NG X iao -gang 2,D A I Gan -ce 1(1.S tate Key Laboratory of Chem ical Engineering ,East China Uni

4、versity o f Science and Technology ,Shanghai 200237,China ;2.S chool o f Science and Technology ,Glyndwr University ,Wrex ham LL 112A W ,UK )A bstract :N ume rical simuulations of gas -liquid flow in a cylindrical bubble column of 190m m in diameter w ere conducted to investig ate the effect of shor

5、 t -draft tube and its locatio n on hydrody namicpro perties using tw o -fluid m odel and m odified k -turbulence mo del .In the sim ulations ,four cases w ere assessed .One w as a simple bubbleco lum n w ithout draft tube w hile the other three had short draft tubes of 0.7D in diamete r ,1.0D in le

6、ngth and the clearance from bo ttom of bubble column of 0.5D ,1.0D and1.5D ,respectively .The sim ulation results dem onstrate that the predicted data from the sim ple bubble colum n coincide with the experimental data in lite ratures .The draft tube flats the radial profiles o f the local time -ave

7、raged gas ho ldup and time -averaged axial liquid velocity in the do w nstream of draft -tube .It is also indicated that the draft tube sig nificantly increases the RMS (ro ot mean square )axial liquid fluctuating velocity at the bo ttom o f the bubble co lum n ,w hich w ould be beneficial to the so

8、 lid suspension .Key words :CFD ;short -draft tube ;bubble colum n ;two fluid m odel 鼓泡塔反应器因结构简单、无运动内构件、传热 传质系数高,被广泛应用于石油化工、环境、生物工173DOI :10.14135/j .cn ki .1006-3080.2010.02.014程、能源工程等领域1。然而,普通鼓泡塔的湍流强度小、液相速度低,固相悬浮及混合性能较差。常用的解决办法是在鼓泡塔内安装长导流筒(长度略小于塔高),如气升式鼓泡塔。气升式鼓泡塔通过导流筒来规整两相流动,使流体在筒内上升,从筒外返回,可显著提高液相

9、循环速度,改善固相悬浮及混合。但由于长高径比导流筒外侧气含率极低,导致气升式鼓泡塔的平均气含率低于普通鼓泡塔,传质速率也有所下降2-3。为改善液相流动又不至于降低气含率,安装短导流筒内构件(l=D)有可能实现这一目的。目前对短导流筒进行实验或数值模拟研究的文献很少4-5,本文拟采用CFD模拟对其进行研究。近年来,CFD模拟已逐渐成为鼓泡塔研究的重要手段。但报道集中在采用不同的物理模型模拟简单鼓泡塔6-9,仅有少部分模拟研究了有内构件的鼓泡塔。Van Ba ten等3使用单气泡模型对简单鼓泡塔和气升式鼓泡塔进行了数值模拟研究,揭示了导流筒作用;Larachi等10采用单气泡模型数值模拟了内置换热

10、管的鼓泡塔,详细考察了换热管数目以及安装方式的影响;Padial等11、Blazej等12数值模拟研究了长导流筒鼓泡塔。这些文献对两相流模拟做了大量的模型研究,提出了不同的气泡模型、作用力模型,湍流模型等,但始终没有找到统一的、适用于各种模拟工况的模型。因此,本文中暂且不考虑模型对模拟结果的影响,使用的物理模型与文献13相同。1数学模型 本文采用双流体模型模拟气液两相流动,其控制方程可在单相流控制方程的基础上采用统计平均方法推导,具体方程如下: 质量守恒方程:ii t +(ii u i)=0(1) 动量守恒方程: ii u it+(ii u i u i)= - i p+F i+(ii)+ii

11、g(2)i=(i+t,i)u i+(u i)T(3) 液相湍流模拟采用修正k-模型,控制方程为:LL k L+(LL k L u L)=(4)LLLt+(LLL u L)=Lt,LL+ LL k L(C1G k,L-C2LL)+LL,L(5)液相湍流黏度采用下式计算:t,L=L Ck2LL(6) 在方程(4)、(5)中,C1、C2、C、k为湍流参 数,本文中分别取1.44、1.92、0.09、1.0、1.3。k,l与,1表示分散相对液相湍流的贡献,详细表达式可参考文献14。在方程(2)中,F i表示相间作用力,包括曳力、升力、虚拟质量力等。但对底部均匀通气鼓泡塔,文献数值模拟工作表明仅考虑曳力

12、作用已足够3,6,13。因此,本文仅考虑两相曳力,并采用Schiller andNaumann模型计算曳力系数:F D L=-0.75G(1-G)LC Dd B|u G-u L|(u G-u L)C D=24(1+0.15Re0.687)ReR e10000.44Re1000(7)2反应器结构及数值求解方法 本文模拟的鼓泡塔结构如图1所示,其中简单 鼓泡塔(Case0)与Deg aleesan等15的实验鼓泡塔相同,塔径D=190mm,净液位高度H=1000mm,其余鼓泡塔均安装导流筒。为保证筒内外面积相等,取筒径与塔径之比T/D=0.7,导流筒长度与塔径之比l/D=1.0,离底距离分别为0.

13、5D(Case1),1.0D(Case2),1.5D(Case3)。共模拟了2个表观气速0.10m/s和0.20m/s。图1鼓泡塔网格Fig.1M esh of bubble column 鼓泡塔顶部采用压力出口边界条件,底部r0.8R中心区域采用速度进口边界,壁面为非滑移边 界,使用标准壁面函数模拟壁面湍流。计算初始时174华东理工大学学报(自然科学版)第36卷间步长t =0.001s ,待稳定后取t =0.010s 。时间导数项采用一阶迎风格式,空间导数项采用Quick 格式,压力-速度耦合采用Phase -coupled simple 方法,压力松弛因子为0.7,动量方程松弛因子取0.3

14、。采用平均气泡尺寸模型,假定气泡直径为5mm ,本工作采用Fluent6.3软件完成。3结果与讨论3.1模型验证为验证模型的可靠性,图2对简单鼓泡塔Case0的模拟结果与文献15进行了定量比较。图2a 显示塔中心时均气含率模拟值比实验值稍低,而壁面附近又稍许偏大;但模拟曲线较为平滑,实验结果变化较大。图2b 显示塔中心液相速度预测结果同样偏低,但模拟还是较好地预测了液相速度变化的拐点。整体上CFD 模拟结果与实验值基本吻合,说明所采用的物理模型基本可靠。下面将基于Case0的物理模型对导流筒结构影响进行数值模拟研究。图2实验结果与数值模拟结果的定量比较Fig .2Q uantita tive

15、comparisons between ex perimentaland CFD predicted results (Case0,U g =0.1m /s )a Time -averaged gas holdup ;b Time -averagedaxialliquidvelocity3.2气含率图3a 、图3b 分别为时均气含率及时均轴向液相速度分布云图。可以看出,导流筒及其安装位置对气含率和液相速度产生了非常大的影响。图3a 显示导流筒强化了鼓泡塔底部气含率的分布不均匀性,但随着导流筒离塔底距离增大,不均匀性有所减弱。该图还显示导流筒下游的气含率分布更为均匀。图3b 显示导流筒提高了鼓泡

16、塔底部的液相速度,其中Case2变化最为显著。(a )Gas holdup(b )A xia l liquid velocity 图3鼓泡塔时均云图Fig .3Time -averag ed co nto urs in bubble column(U g =0.1m /s ) 图4给出了简单鼓泡塔内的时均气含率径向分 布,可以发现气含率沿轴向逐渐增大,这与Chen 等6的数值模拟结果一致。当H /D =0.5时,气含率分布曲线较为平坦,但中心气含率并不是最高,这可能与气流偏向塔壁运动有关。Deg aleesan 等16在实验中也观察到了此现象,Ahktar 等17在对多孔分布器鼓泡塔进行模拟时

17、也同样预测了此现象。当H /D 1.0时,气含率分布呈抛物形,但此后气含率变化较小,说明流动已逐步充分发展。然而,当H /D =5.0时,气含率却又有明显增加。这可能是由于十分靠近气液界面,液相波动比较剧烈,气相被大量卷吸所致。 图5为导流筒区的气含率径向分布图(U g = 175第2期李光,等:CFD 研究短导流筒对鼓泡塔流体动力学的影响图4时均气含率径向分布Fig.4Radial profiles of time-av erag ed g as ho ldup(Case0,U g=0.1m/s)H/D:0.5;1.0; 1.5;2.0;2.5; 3.0;4.0;5.00.1m/s)。可以看

18、出Case1与Case2、Case3的气含率分布差异显著,而后两者则非常相似。图5a显示Case1的导流筒区气含率中心低、筒壁附近高;这与Case0鼓泡塔H/D=0.5处的气含率分布非常相似,但前者的中心气含率更低。可能是因为Case1的导流筒使鼓泡流更偏向塔壁一侧运动,不对称流动被强化所致。图5a还显示塔中心气含率随高度显著增加,并且气含率分布也趋于平坦。由图5b、图5c可知,当导流筒安装位置H1.0D时,导流筒内气含率分布非常均匀,导流筒外侧气含率明显下降,这与Van Baten等3模拟气升式鼓泡塔时获得的结果一致。但不同的是V an Baten等3模拟的长导流筒外侧气含率基本为零,而短导

19、流筒外侧气含率仍然较高,因此,不会导致气含率显著下降。从图5b、图5c还可以看出,在导流筒的出口筒壁处(H/D=2.0,H/D=2.5),气含率有一个突然增大的峰值。 重新分析图4可以发现:在简单鼓泡塔内,当H/D1.0以后流动才基本发展完全,此时气含率分布呈抛物形;而低于此值,流型是不对称的。由于Case1的导流筒刚好处于不对称流型区,流动的不对称性被进一步强化,因此气含率分布相当不均匀。而Case2和Case3的导流筒则刚好安装在流动发展区,仅对气相分布进行规整,所以导流筒内气含率分布较Case1更为均匀。 图6对导流筒下游的气含率分布进行了比较(H/D分别为3.0、4.0、5.0)。很明

20、显,安装有导流筒的鼓泡塔内的气含率分布更均匀,在r/R从导流筒流出相当于扩张管流,降低流速,流体重新图5导流筒作用区时均气含率径向分布Fig.5Radial pro file s o f time-aver aged gas holdupin the draf t tube region(U g=0.1m/s)分布所致。但随着远离导流筒,气含率曲线的斜率逐渐变大,说明导流筒的作用正在减弱。比较图6a图6c可以看出,在大部分径向位置上,Case2的气含率都大于Case3;在r176华东理工大学学报(自然科学版)第36卷图6导流筒下游区时均气含率分布F ig .6Radial pro file s

21、 o f time -aver aged gas holdup a t thedo wnstream of the draft tubes (U g =0.1m /s )Case0;Case1;Case2; Case3图7整体气含率比较F ig .7Co mpa rison of o vera ll gas holdup位置4。3.3导流筒结构对液相速度的影响3.3.1时均液相速度鼓泡塔循环及混合性能与液相速度分布有关,因此,考察鼓泡塔内的速度分布非常必要。图8a 图8d 给出了4种鼓泡塔内的时均轴向液相速度分布,图中圆圈所标识的曲线为导流筒所在位置的速度分布。从图8a 可以看出,在简单鼓泡塔

22、内,液相速度沿轴向方向逐渐增大。这是图8轴向液相速度径向分布Fig .8Radial profiles of time -averag ed a xial liquidv elocity (U g =0.1m /s )H D:0.5;1.0; 1.5;2.0;2.5; 3.0;4.0;5.0177第2期李光,等:CFD 研究短导流筒对鼓泡塔流体动力学的影响因为气泡在上升的过程中不断地把能量传递给液相,并且气泡不断地向鼓泡塔中心运动,气含率梯度增大所致,这与文献6的模拟结果一致。 图8b显示Case2导流筒内液相速度呈中心低、筒壁处高的分布。这可能是因为导流筒严重影响了气流的初始发展,加剧了气流

23、偏向塔壁一侧运动所致。图3a也表明气流沿导流筒的一侧附壁上升。 图8c、图8d显示Case2与Case3的鼓泡塔内流型及变化趋势基本相同。在导流筒内,液相速度明显增大,原因是导流筒限制了气流的摆动范围。在导流筒下游的速度明显降低,原因是流体从导流筒流出相当于扩张管流,所以液相速度下降。在导流筒下游1.0D1.5D处,液相速度达到最低,此时液相速度分布曲线最为平坦,随后塔中心液相速度又有所增加。 3.3.2液相脉动速度短导流筒的另一个重要作用是希望通过它来提高鼓泡塔底部的液相流动速度,强化液相湍流强度,改善固相悬浮等。图9a、图9b给出当U g=0.1m/s时,在H/D= 0.25和H/D=0.

24、50处液相的均方根(RMS)轴向脉动速度。可以看出,安装导流筒后,鼓泡塔底部的液相均方根轴向脉动速度都有不同程度的提高,图9均方根液相轴向脉动速度径向分布Fig.9Radia l pro files of a xial RM S fluctuating v elo city fo r liquid phase(U g=0.1m/s)Case0;Case1;Case2; Case3最大可提高40%,说明导流筒能显著增加鼓泡塔底部的湍流强度。为进一步检验这一规律,本文还模拟了0.2m/s的表观气速。图10给出了此时的液相均方根轴向脉动速度。可以看出,导流筒可使局部位置上的脉动速度最高可增大100%

25、。可见在增大表观气速以后,导流筒的作用更加明显。比较3种安装导流筒的情况可以发现,Case3对脉动速度的影响最大,其次是Case2。图10均方根液相轴向脉动速度径向分布Fig.10Radial profiles of ax ial RM S fluctuating v elocity o f liquid phase(U g=0.2m/s)Case0;C as e1;C ase2; Case34结论 本文采用CFD模拟详细考察了短导流筒内构件对鼓泡塔流型、液相速度以及气含率分布的影响,得出以下结论: (1)短导流筒内构件对鼓泡塔内流型、速度分布和气含率分布影响很大,但影响程度与导流筒安装位置有

26、关。(2)导流筒下游H2.0D范围内的时均轴向液相速度明显降低,但导流筒内、外的时均轴向液速却明显增大;导流筒下游的气含率分布更为均匀,并能不同程度地增加整体气含率。(3)短导流筒显著提高了鼓泡塔底部的液相轴178华东理工大学学报(自然科学版)第36卷向脉动速度,有利于改善固相悬浮。轴向脉动速度增加程度与导流筒安装位置有关,当导流筒离底距离为1.5时,轴向脉动速度增加最为明显。由此可见,短导流筒在不降低气含率的情况下,能强化液相流动、增强鼓泡塔底部的湍流强度,有利于改善鼓泡塔的固相悬浮性能,值得重视。但短导流筒的具体优化安装位置以及优化尺寸在不同鼓泡塔内有可能不同,需要具体研究。符号说明:C

27、D曳力系数C P气体等压热容,J/(m olK)d气泡直径,mmD鼓泡塔直径,mF相间作用力,Ng重力加速度,m/s2k湍流动能,m2/s2l长度,mp压力,Par径向位置,mR鼓泡塔半径,mRe雷诺数t时间,sT导流筒直径,mu z,l液相轴向速度,m/su z,rms轴向脉动速度,m/su脉动速度,m/sU g表观气速,m/s气含率密度,kg/m3应力张量黏度,Pas湍流耗散率,m2/s3上、下标:g气体i相指标L液相G气相参考文献:1Kantarci N,Borak F,Ulgen K O.Bub ble colu mn reactorsJ.Process Biochemis try,2

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