基于cfd的氧气动态传质过程数值模拟

基于cfd的氧气动态传质过程数值模拟

湿式硫酸盐氧化是当前火灾炉最常用的过滤技术。在wfgd工艺中，桨酸溶液中的亚硫酸盐氧化是一个重要的化学过程。亚硫酸盐的氧化直接影响到石膏的结晶、脱水和废水处理。许多研究人员对磺酸盐强制氧化的动态反应机制进行了深入研究，结合氧气传质的动态特性，估计了氧传质单元，并对矿山和泡沫的传质系数进行了验证。对于反应中涉及的氧气传质过程,大多数研究则集中在饱和溶解氧条件下,而对非饱和溶解氧情况下氧气动态的传质过程的深入分析研究则较少报道.本文通过采用CFD着重考察不同搅拌器类型以及不同搅拌转速情况下,对非饱和溶解氧条件下氧气动态传质过程的影响进行数值模拟,并对模拟结果进行了验证.1u3000/s值容器直径DT=0.153m,液位高度HT=0.142m.图1为两种搅拌器容器示意图,图1(a)中搅拌器叶片为桨叶式,叶片数为2,桨式搅拌器叶片的直径DS=DT/3,叶片宽度BS=0.1DS,叶片厚TS为0.002m.图1(b)中搅拌器叶片为圆盘涡轮式,叶片数为4,圆盘搅拌器叶片直径DC=DT/3,宽度BC=DC/5,厚度TC=0.002,高度HC=0.018m.搅拌器距离容器底部间距都为DT/3.空气体积流量为4.36×10-7m3/s,空气进入点x=0.038m,y=z=0.水和空气的密度分别为998.2和1.225kg/m3,水和空气的黏度分别为0.001和1.789kg/(m·s).搅拌器的转速为200和300r/min.2eutera模型由于涉及气泡和液体的流动,属于两相流问题范畴.对于气泡和液体的两相流动模拟,通常有两种处理方法:一种是把气泡相和液相都处理为连续相,即采用Eulerian-Eulerian两相流模型;另外一种是把气泡处理为颗粒离散相,液相为连续相,采用Eulerian-Lagrangian两相流模型.由于本系统中气泡相体积率较少,采用Eulerian-Lagrangian模型来对气泡和液体进行流场描述.2.1iiigradj+s.1式对于Eulerian-Lagrangian两相流模型,液体处理为连续相,其流场控制方程为∂(ρj)∂t+div∂(ρj)∂t+div(ρuj)=div(Γgradj)+S.(1)式中:u为平均速度,m/s;j为通用变量,表示为连续、动量和组分方程的求解变量;Γ为广义扩散系数;ρ为密度,kg/m3.式(1)中各项依次为瞬态项(transientterm)、对流项(convectiveterm)、扩散项(diffusiveterm)和广义源项(sourceterm).由于容器内搅拌器转动会对液相会产生旋流,采用RNGk-ε湍流模型来模拟容器内液相湍流运动.2.2dpm模型拟合得到的作用在搅拌器容器内气泡受到重力、曳力、浮力等的作用,其中受浮力作用较大.根据气泡在液体流场中受力分析可知,气泡的运动方程可表示为dupdt=Κ(uL-up)+g(ρp-ρL)/ρp.(2)dupdt=K(uL−up)+g(ρp−ρL)/ρp.(2)在DPM模型中液体(连续相)与气泡(离散相)之间的作用关系可表示为F=∑[K(uL-up)+Fo]mPΔt.(3)式中:uL、up为液体、气泡的平均速度;F为相间作用力;Fo为其他作用力;K(uL-up)为气泡受水的单位质量曳力,N/m;mp为相间质量传质.K的表达式为Κ=18μρΡd2ΡCDReΡ24.(4)K=18μρPd2PCDReP24.(4)式中:Rep为气泡的相对雷诺数,CD采用如下表达式:CD=24ReΡ(1+b1Reb2p)+b3Repb4+Rep.(5)CD=24ReP(1+b1Reb2p)+b3Repb4+Rep.(5)式(5)中的bi(i=1,2,3,4)可由HaiderandLevenspiel的研究得到.2.3颗粒轨道方程颗粒轨迹方程以及描述颗粒质量/热量传递的附加方程都是在离散的时间步长上逐步进行积分运算求解的.对方程(2)积分得到了颗粒轨迹上每一个位置的颗粒速度.颗粒轨迹通过下式可以得到:dxdt=uΡ.(6)该方程与式(2)相似,沿着每个坐标方向求解此方程就得到了离散相的轨迹.假设在每一个小的实际间隔内,包含体积力在内的各项均保持为常量,颗粒的轨道方程可以简写为duΡdt=1τΡ(u-uΡ).(7)其中τp为颗粒松弛时间.应用FLUENT的梯形差分格式对上式积分,得(un+1Ρ-unΡ)/Δt=1τ(u*-un+1Ρ)+⋯.(8)式中:n代表第n次迭代步,并且有u*=(un+un+1)/2,(9)un+1=un+ΔtunP×∇un.(10)在一个给定的时刻,同时求解方程(9)和(10)以确定颗粒的速度与位置.2.4饱和溶解氧在主体气泡中的浓度计算在本文计算中,通过使用FLUENT软件包提供用户自定义函数(UDF)功能来实现计算传质过程,并采用双膜理论的传质模型来模拟氧气在搅拌器内传质动态传质过程.根据双膜理论,O2的传质速度RO2(单位:mol/(m3·s)),可用下式来表示:RO2=kLa(c*L(O2)-cL(O2)).(11)式中:传质系数kL可由关系式得出,而与主体气泡中氧气分压相对应的饱和溶解氧的平衡浓度为c*L(O2)=φ(O2)pO2/H=mc(O2),(12)cL(O2)=φ(O2)MO2pO2/(RT).(13)式中:c*L(O2)、cL(O2)分别为饱和溶解氧气平衡浓度及氧气的浓度,mol/m3;Φ(O2)为氧气的体积分数,H为亨利系数,R为气体常数,MO2为氧气的摩尔质量,kg/mol;pO2为氧气分压,Pa;2.5dpm模型建立利用前处理器网格划分软件GAMBIT对搅拌器容器模型采用四面体网格结构进行其网格划分(见图1),对于搅拌叶片旋转区域网格进行了加密处理,整体模型网格单元数量分别约7万到8万个.实际模拟过程为先计算由静态液相到搅拌稳定时,再加入DPM模型对气泡运动进行耦合计算.液相边界条件:容器壁面边界条件为无滑移,标准壁面函数、搅拌轴及叶片采用滑移壁面边界条件.气泡边界条件:气体由底部向上运动到液面气泡破碎,建模时液面处理为壁面,计算时气泡在壁面处设置为逃逸,当气泡与其他壁面接触时,气泡壁面反弹,故其他壁面设置反弹.3数值模拟验证方法对于搅拌器内流场数值模拟结果,采用PIV技术来考察流场模拟情况的可靠性.利用溶氧仪验证搅拌器容器内溶解氧浓度随时间变化关系.3.1速度场及图像数据的获取本实验中流场的特性是通过测量流场内连续运动气泡在流场内不同位置的速度分布情况给出.激光器采用湖北光通光电公司的GL-8绿光灯泵浦固体激光器,高速摄影装置采用MotionXtraHG-100K系统.PIV的图像处理算法采用灰度分布互相关法.通过捕捉连续激光照亮流场的两幅图像,测量Δt时间内(0.001s)汽泡在x、y方向上的位移Δx、Δy,从而可以计算出x、y方向上的移动速度及速度方向,获得二维速度矢量场,计算流程参见图2.图3为搅拌器转速为200r/min时,高速相机拍摄的某时刻照片.3.2氧质量浓度的测定将一定量的去离子水加入到搅拌器容器内,然后通入氮气将去离子水中的溶解氧气排出.同时用溶氧仪(YSI550A)置于点(x=-0.038,y=0.100,z=0m)测定水中的氧质量浓度.待水中溶解氧气质量浓度达到4mg/L,停止鼓入氮气,将空气通入搅拌器内,与此同时,记录各时刻搅拌器测量点溶解氧的浓度.4结果与讨论4.1实际冷凝器流场实验验证图4为两种搅拌器容器内数值模拟结果z=0截面的速度矢量分布图,搅拌速度为200r/min.图4(a)显示桨式搅拌器z=0截面在搅拌器左右两边各存在一个循环涡旋,而图4(b)显示圆盘搅拌器z=0截面内在搅拌器两边则产生上下各一个循环涡旋.为了考察CFD模拟流场结果的可靠性,通过采用Matlab对PIV照片进行图像处理.取z=0截面上x向速度得出图5(径向某位置(d)速度值为该位置处x向速度的平均值).由图可以看出模拟值与实验结果相符,说明Fluent模拟流场的结果能较好地描述实际搅拌器内流场情况.当两种搅拌器在旋转速度为200r/min时,在z=0截面上,湍流动能k分布的对比情况如图6所示.可以看出,桨式搅拌的湍流动能集中在桨片附近,而圆盘涡轮式则分布在以搅拌器为中心逐渐向外延伸,因此,搅拌圆盘搅拌产生湍流动能k分布范围要比桨式搅拌大,且湍流动能分布更均匀,湍流强度更大,这将有利于氧气传质过程的进行.4.2回混内气泡运动的变化图7的(a)、(b)两图分别模拟某时刻气泡在搅拌器容器内分布情况,搅拌速度为200r/min.在初始发展阶段,气泡呈现竖直上升运动,而后由于气泡运动造成的横向压力不均进一步增加,气泡继续沿搅拌轴向容器后壁侧偏转.随着运动时间的增加,气泡逐渐沿后壁发生返混.两图中气泡分布都集中在搅拌轴附近,与实际试验时气泡大部分都是沿搅拌轴向上运动较符合.另外,桨式搅拌器容器内比圆盘涡轮式搅拌器内气泡停留数量要少,这与实际试验观察较符合.这是由于桨式搅拌器产生的湍流动能没有圆盘涡流式搅拌器大和广,因而对气泡在上升运动时影响较小.4.3不同转速对空气传质的影响选取模拟时刻等于200s时,两种搅拌器在搅拌转速n=200和300r/min情况下的溶解氧的浓度分布情况进行对比,结果如图8所示.从图8(a)和(b)可以看出:当搅拌器同为桨式搅拌器时,随着转速的增加,容器内氧气浓度随之增加.由图8(c)和(d)可以看出:容器内氧浓度变化与搅拌器转速的关系与此趋势一样,因此搅拌转速的增加有利于氧气的传质进行.对比图8(a)与(c)和图8(b)与(d),可以得出当转速相同时,圆盘涡轮式搅拌器同样比桨式搅拌器的氧气浓度要高,故圆盘涡轮式搅拌器类型更有助于氧气的传质.4.4实验设计结果按照试验方法,分别测量出时间间隔为1min时刻的监测点位置氧气浓度值,得出实验条件下搅拌器内氧的浓度值与溶解时间的关系,并与模拟值对比,结果如图9(a)～(d)所示,从图可以看出,各图中监测点位置浓度测量值与模拟值偏差较小,且监测点位置的氧气浓度测量值和模拟值与溶解时间的关系基本趋势一样.通过对测量进行数据分析,采用以下对数函数关系式进行分析得出:cL=λln(t)+ξ.(14)从表1可以看出,采用cL=λln(t)+ξ能较好地描述在试验搅拌器内氧气动态传质过程中,容器内氧气浓度与溶解时间的关系.式(14)中系数λ、ξ的大小主要与搅拌器类型和转速有关,R2为相关性判定系数.根据试验测试监测点位置氧气浓度达到饱和溶解浓度的时间分别为14、13、12.5和12min,模拟情况时,时间则分别为15、14、13.5和12.5min,说明采用本文氧气传质模型能预测氧气在搅拌器内的动态传质过程.5过滤器内氧传质器c(1)采用Fluent软件和UDF结合能够很好地模拟出实际搅拌器内流场分