（化学工程专业论文）进料分布器气液两相流场的cfd研究.pdf

中文摘要 填料塔因为生成能力大、分离效率高、压力降小、操作弹性大、持液量小等 优点在工、i p 生产之中得到了广泛地应用。填料塔内冈气液两相流动特性复杂，现 有的实验手段很难准确的测量塔内分散相的流速、浓度及液滴( 或气泡) 的直径 等流体力学特性，因此迫切需要进行理论研究，结合实验研究为优化填料塔设计 及拓宽填料应_ h j 领域奠定基础。随着计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i d d y n a m i c s ，c f d ) 的出现与发展，很多学者开始对气液两相流领域进行了研究。 本文在多相流理论的基础上，借助前人的经验，在欧拉一拉格朗日坐标系下， 选用标准的k - - s 模型作为湍流模型，来模拟气液两相流通过双切向环流分布器 对塔内气流的影响。所用的c f d 软件为f l u e n t 。 本模拟保持离散相液滴负荷不变，通过改变主相气体的负荷，分析分布器内 流场的变化，对不均匀度、雾沫夹带率等性能指标的影响。结果表明： 1 、两相流和单相流进料时气体在分布器内的流场变化趋势致，说明以一s 模 型作为湍流模型，离散相模型作为多相流模型模拟气液两相流在双切向环流 分布器内的运动的结果表明该模型能够模拟液滴在气相的运动，及浓度分布。 2 、气体分布不均匀度随着气体负荷的增大而减小。 3 、气一液两相进料时雾沫夹带率为o 0 3 4 o 1 3 ，随着气体负荷的增大而增 大。 4 、气一液两相的湍动能较大区域主要集中在气体分布器的入口处和前2 块挡板 处，在此区域内气液的速度脉动强烈，速度梯度很大。 关键词： 计算流体力学，标准k s 模型，双切向环流分布器，不均匀度 a b s t r a e t p a c k e dc o l u m n sh a v eb e e nb r o a d l ya p p l i e di nt h ei n d u s t r yb e c a u s eo ft h eh i i g h t h r o u g h p u t ，e x c e l l e n ts e p a r a t i o n e f f i c i e n c y , l o wp r e s s u r ed r o p ，g r e a to p e r a t i o n f l e x i b i l i t y , s m a l ll i q u i dh o l d i n g a c t u a le x p e r i m e n t a lm e a n s c a n tm e a s u r et h ev e l o c i t y ， c o n c e n t r a t i o na n dt h ed i a m e t e ro fl i q u i dd r o p ( o ra i rb u b b l e ) i ng a s l i q u i dt w op h a s e s y s t e m s oi ti su r g e n tt os t u d yt h ef l o wo fl i q u i di nt h e o r yf o ro p t i m i z i n gd e s i g no f p a c k e dc o l u m n sa n de x p a n d i n gt h ea p p l i c a t i o nf i e l do ff i l l i n g w i t ht h ea p p e a r a n c e a n dd e v e l o p m e n to fc f d ，m a n ys c h o l a r sh a v eb e g u nt os t u d yg a s - l i q u i dt w op h a s e f l o w o nt h eb a s i so fm u l t i p h a s ef l o wt h e o r y , t h ep a p e rt a k e ss t a n d a r dt 一m o d e la s t u r b u l e n tm o d e l ，e u l e r - l a g r a n g em o d e la sm u l t i p h a s em o d e l t h ef l o wo fg a s l i q u i d t w op h a s ei nt w i n t a n g e n t i a la n n u l a rd i s t r i b u t o rw a ss i m u l a t e dt h r o u g hc f ds o f t f l u e n t i nt h i sp a p e r , ，n o to n l ya n a l y s i sw i t ht h ec h a n g eo ff l o wf i e l di nt h ed i s t r i b u t o r b u ta l s oa n a l y s i so fm a l d i s t r i b u t i o nf a c t o r ( m ，) ，f o a mc a r r y i n gr a t e ( 8 ) ，p r e s s u r e d r o p ( 卸) ，t u r b u l e n tk i n e t i ce n e r g y ( k ) ，a n dt u r b u l e n td i s s i p a t i o nr a t e ( 。) a r ec a r r i e d o u tt oc h a r a c t e r i z et h ep e r f o r m a n c eo fg a sd i s t r i b u t o rt h r o u g hk e e p i n gt h ec h a r g eo f d i s p e r s e dp h a s e u n i f o r ma n dc h a n g i n gt h ec h a r g eo f p r i m a r yp h a s e t h er e s u l t si n d i e a t e ： 1 、t h ec h a n g eo fg a sf l o wf i e l di nt h ed i s t r i b u t o ri sc o n s i s t e n ti nt h ec a s eo f t w o p h a s ef e e d i n ga n ds i n g l e p h a s ef e e d i n g t h em o d e l sc h o s e nc a ns i m u l a t e t h em o v e m e n t ，c o n c e n t r a t i o n ，d i a m e t e ro fl i q u i dd r o p i nt h et w o - p h a s e s y s t e m - 2 、m a l d i s t r i b u t i o no fg a sf a l l sw i t hi n c r e a s i n go ft h ec h a r g eo fg a si nt h e g a s l i q u i ds y s t e m 3 、e n t r a i n m e n t i sv e r ys m a l l ( o 0 3 4 0 1 3 ) a n d i n c r e a s e s w i t h t h e i n c r e a s i n g o f t h ec h a r g eo f g a s 4 、t u r b u l e n tk i n e t i ce n e r g yi st h eg r e a t e s ti nt h ei n l e to fd i s t r i b u t o ra n do nt h e f r o n t2b a f f l e si nt h ed i s t r i b u t o r , w h e r et h ep u l s a n tv e l o c i t yc h a n g e sq u i c k l y a n dg r a d si sb i g k e yw o r d s ：c o m p u t a t i o n a l f l u i d d y n a m i c s s t a n d a r dk 一占m o d e l t w i n t a n g e n t i a la n n u l a rf l o wd i s t r i b u t o r m a l d i s t r i b u t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导f 进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤洼盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：杠嶙 签字目期：瑚亨 年月，7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞盗盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：杠小薛 导师签名 签字日期：附年，月，7 f 认易治 签字日期：阳疗年f 月f 7 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 填料塔与板式塔相比具有生产能力大、分离效率高、压力降小、操作弹性 大、持液量小等优点，因此在工业生产中得到了广泛地应用。近二十年来，规 整填料、新型塔内件的研究与应用，使填料塔的应用有了新的突破和发展。一 座性能良好的大型填料塔除了有高性能的填料之外，液体、气体分布器也至关 重要，特别对于大直径、多侧线、浅床层的填料塔，气液分布往往是成败的关 键。目前对液体初始分布的研究相对来说比较多，且较为充分、成熟。但是对 于塔内气体，由于其流动性更大，流道曲折、形状多变，因向对其研究并不十 分透彻。以i 丰的研究往往假设填料塔的气体进料为均匀分布，但是气体的初始 分布、液沫夹带等性能对整个填料塔的分离效率和产品质量有重大的影响。如 果上升的气流中夹带的液滴过多，会严重地降低产品的质量。又由于分布器内 气液两相流动的复杂性、测试手段和测试条件的限制，大多数的工作还仅限于 对宏观的流体力学特性的观察和测定，如两相流体系中分散相的浓度、流速、 液滴( 或气泡) 的直径等流体力学特性的测定。阕此从理论上研究填料塔内气 流初始分布对塔内气体分布的影响日益成为研究的热点。 近几十年米，随着计算机技术的发展，计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i d d y n a m i c s ) 简写为c f d 在化工、航天、水利各个方面的应用日益受到人们的重视。 c f d 的应用减少了试验测试的次数，节省了大量的资金和时间，并能解决某些由 于实验技术限制而难以进行测量的问题，特别是大量商用c f d 软件的出现，扩大 了c f d 的应_ l j 范围，推动了流体力学的更深入发展。在化工领域计算流体力学最 早仅限于单相流的模拟，现在已经能对复杂的气液两相流行为进行描述和模拟计 算。j m v a nb a t e n 等对填料内多相流进行了c f d 模拟【1 ，天津大学王晓玲、刘春 江【2 , 3 1 将其应用于精馏塔板上多相流的模拟。还有人在进行流化床的模拟i ”。目前 在气液两相流模拟过程中普遍采用的两种模型化方法有欧拉一欧拉法和欧拉一 拉格朗日法。欧抟一欧拉法将每相均设为连续柏，相与相间相互渗透，共同占 据单元格；欧拉一拉格朗日法将主体相视为连续相，将稀疏相视为离散颗粒，在 拉格朗日坐标下对每个颗粒的每一时刻的速度、能量等流体力学参数进行跟踪计 算。 1 2 研究内容 本文在多相流体力学理论的基础上，借鉴前人模拟研究的成功经验，采用 欧拉一拉格朗日法对填料塔双切向环流进料分布器内气液两相流场进行了模拟 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 填料塔与板式塔相比具有生产能力大、分离效率高、压力降小、操作弹性 大、持液量小等优点，凼此在工业生产中得到了广泛地应用。近二十年来，规 整填料、新型塔内件的研究与应用，使填料塔的应用有了新的突破和发展。 座性能良好的大型填料塔除了有高性能的填料之外，液体、气体分布器也至关 重要，特别对于大直径、多侧线、浅床层的填料塔，气液分布往往是成败的关 键。目前对液体初始分布的研究相对来说比较多，且较为充分、成熟。但是划 于塔内气体，由于其流动性更大，流道曲折、形状多变，因而对其研究并不十 分透彻。以往的研究往往假设填料塔的气体进料为均匀分布，但是气体的初始 分布、液沫夹带等性能对整个填料塔的分离效率和产品质量有重大的影响。如 果上升的气流中夹带的液滴过多，会严重地降低产品的质量。义由十分布器内 气液两相流动的复杂性、测试手段和测试条件的限制，大多数的工作还仅限于 对宏观的流体力学特性的观察和测定，如两相流体系巾分散丰甘的浓度、流速、 液滴( 或气泡) 的直径等流体力学特性的测定。因此从理论上研究填料塔内气 流初始分布对塔内气体分布的影响日益成为研究的热点。 近几十年术，随着计算机技术的发展，计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i d d y n a m i c s ) 简写为c f d 在化【、航天、水利各个方面的应用日益受到人们的重视。 c f d 的应用减少了试验测试的次数，节省了大量的资金和时问，并能解决某些由 十实验技术限制而难阻进行测量的问题，特别是大量商用c f d 软件的出现，扩大 了c f d 的应j l j 范围，推动了流体力学的更深入发展。在化工领域计算流体力学虽 早仅限于单相流的模拟，现在已经能对复杂的气液两相流行为进行捕述和模拟计 算。j ，m v a i lb a t e n 等对填料内多相流进行了c f d 模拟【jj ，天律大学王晓玲、刘春 江口。懈其应用十精馏塔板上多相流的模拟。还有人征进行流化床的模拟” 。目前 在气渡两相流模拟过程叶 普遍采用的两种模型化方划、有歇拉一欧拉法和欧拉一 拉格朗日法。欧抟一欧拉池将每相均设为连续柏，相与相问相互渗透，共同占 据单元格；欧拉拉格朗口法将主体相视为连续相，将稀疏相视为离散颗粒，在 拉格朗日坐标下对每个颗粒的每一时刻的速度、能量等流体力学参数进行跟踪计 算。 1 2 研究内容 本文在多枯流体力学理论的基础上，借鉴前人模拟研究f i 勺成功经验。采用 欧拉一拉格朗l 二1 法对填料塔双切向环流进料分布器内气液两相流场进行了模拟 欧拉一拉格朗l 二1 法对填料塔双切向环流进料分布器内气液两相流场进行了模拟 第一章绪论 研究。考察了不同液气比进料对分布器内流场、液滴浓度分布、不均匀度、雾沫 夹带的影响，分析了分布器压降和湍动能、湍动能耗散率的分布规律。 第二章文献综述 第二章文献综述 2 1 填料塔进料气体分布器的研究和回顾 随着高效填料的广泛应用，大型填料塔逐渐应用于t 业生产中。对于性能良 好的填料塔，除了高性能的填料之外，与之匹配的塔内件，如气体、液体分布器 也起着相当重要的作用，其性能的优劣直接影响全塔的正常操作和产品质量。对 于大直径、浅床层的填料塔，气液的良好初始分布尤其重要。 很多学者对填料塔内液体的分布进行了大量的理论研究，并研制出了许多合 理的液体分布器，并应用到了实际生产巾。而对气体分布，困为其流动性大于液 体，流动复杂，对其进行的坪论研究相对较少。以前的研究常常假设入口气体为 均匀分布或强调填料对速度场的均化作用，但是随着大直径、浅床层填料塔的使 用，气流在填料床内达到自然均匀分布的看法已经被人们所摒弃。近l o 多年国 内外学者就进气结构及气体初始分布状态对填料塔中气体均布的影响做了许多 研究。 2 1 1 填料塔进料气体分布器结构的研究 良好的进气结构府该具有下列主要特点： ( 1 ) 气流分布均匀； ( 2 ) 雾沫夹带少： ( 3 ) 流动阻力小； ( 4 ) 结构简单，操作可靠。 对十大直径、浅床层的填料塔，床层自身的均布能力很差，因此完全依靠进 气结构的预分布来实现床层中气流的均布。 填料塔气体分布器的开发、研究和戍用尚处于初始阶段，目前，常用的进气 分布器有以下几种类型【5 j ：多孔直管式、直管挡板式、切向号角式、单切向环流 式、双列i j f 片式、轴径向式以及双切向环流式。 多孔直管式( 见图2 一1 ) 是我国目前减压塔中常用的一种。进料管延伸至入 口对侧塔壁附近，管下方及侧方开长条孔，其开孔面积为进料管面积的2 8 倍。 气流由条形孔中喷出至塔底，再折而向上，沿管长各孔气速依次增大，结果是近 塔壁处两端气速较高，管上方形成旋涡，塔中心处气速向下，气液两相进料液量 分布与气速分布相似。因此，气液集中于管两端喷出，形成大量雾沫，造成雾沫 夹带；气液分布不均，局部气速较高，阻力很大。 直管挡板式式( 图2 - 2 ) 是多孔直管式的简便改进，除去了多孔直管式下方 的多孔部分，取而代之的是四块弧形挡板，其位置沿气流方向依次升高，以减少 冲击，降低阻力。 第：章文献综述 切向号角式( 图2 - 3 ) 也是较为常用的种结构形式，其进料管切向进入塔 内，管口有一向下倾斜并逐渐扩张的“号角型”导流罩，气液混合物高速切向进 入渐扩的喇叭管，然后沿塔壁向下旋转至塔底再折而向上。塔巾央形成一个向下 的气旋，所以轴向风速不均。由于离心力的作用，雾沫夹带几乎为零，阻力很小。 但喇叭管的倾角要适当，否则口j 使液面移至进气口，使全塔发生震动。 单切向环流式( 图2 - 4 ) 气流切向进入环形流道，依次被多个弧形叶片导流 向下，并逐渐减速，至塔底后折而向j 二，进入内筒，由于四周气流涌向中心，所 以塔中心的气速较高，液体受离心力作用，沿塔壁流下，液沫夹带很少。分布器 本身阻力小，但是进料管中两相流阻力大。 双列叶片式( 图2 5 ) 是瑞十s u l e r 公司的产品，近年来一直被国内的设计 者引用或改进。气流沿两列弧形叶片左右分开，冲向塔壁并折而向上，中央部分 气流向下形成两个漩涡。气速分布不均，冲向塔壁的液沫易被夹带，但阻力较少。 轴径向进料分布器( 2 - 6 ) ，是一种去除了面对称分布器的缺点，比较新颖、 性能优良的气体分布器，实验证明，它是一种结构简单、实用、综合性能较好的 分布器( 见图卜1 4 ) 。尤其适合对初始分布要求较高的减压塔。 双切向环流式由清华大学在美国g 1 i t s c h 公司单切向进气分布器基础上研制( 图 2 7 ) ，其结构相对双列叶片式有一定改进，物料径向入塔由导流板分成两部分， 进入塔壁、内套筒和项板组成的马蹄形通道，依次被弧形导流叶片导向塔底并折 而向上，气速分布较均匀，液沫夹带量少，阻力较小综合性能颇为优良，多应用 于大型填料塔。9 0 年代初，该分布器成功地应用于国内中8 2 0 0 润滑油型减压塔 种。瑞士s u l z e r 公司1 9 9 6 年在某炼油厂减压塔中也采用了该分布器。 第二章文献综述 图2 - 1 多孔直管式 f i g 2 - 1p e r f o r a t e dp i p e 图2 - 2 直管挡板式 f i g 2 - 2s t a n d a r dp i p ew i t hb a f f l e 第章文献综述 图2 4 单切向环流式 n 晷2 - 4t a n g e n t i a la l n f l j 2 ff l o w 第二章文献综述 图2 - 5 双列叶片式 f i g 2 - 5t a p e r e dc h a n n e l 图2 - 6 轴径向式 f i g 2 - 6a x i sr a d i a l 7 第二章文献综述 图2 - 7 双切向环流式 f i g 2 7t w i n - t a n g e n t i a la n n u l a rf l o w 2 1 2 填料塔进料气体分布器性能的比较 m u i r i o 埘3 6 种进气结构的分布性能进行了i 1 4 4 试，认为双切向环流式分布器 性能最好，并且有2 个进口的壁一个进口的气体分布更均匀；灭津大学化学工程 研究所对其进行了改进，设计了带导流器和捕液吸能器的双切向环流气体分布 器，有效的降低了雾沫夹带。 张吕鸿口1 在巾1 0 0 0 的冷膜塔上对轴径向进料气体分布器的气体流场、雾沫灾 带等流体性能进行了详细的研究。发现其不均匀度小于0 3 7 ，但是塔的不足之 处在于其分布器下端占空间太大了，影响了塔的整体设计。 潘国昌| 8 i 在中6 0 0 m m 的有机玻璃塔中，以空气、水为介质，模拟了同内外炼 油工业塔中常_ l - j 的进料气体分布器的操作情况，测定比较了七种气体分布器的性 能。计算出入口管上方1 5 0 m m 高的截面上气体分布的不均匀度( 见表1 ) 表2 - 1 各种分布器不均匀度比较 1 分布器 abcd e f g l 不均匀度m ， 2 02 o1 9 7o 5 2 o 3 71 80 3 3 ( a 多孔直管式，b 直管挡板式，c 切向号角式，d 单切向环流式，e 双切向环流式f 双列片 式，g 带格栅层的倾斜叶片式) 从上面的表中可以看出，双切向环流式和带格栅层的倾斜叶片式气体分布器 第二章文献综述 性能较好，不均匀度较低。 2 2 研究方法一计算流体力学 n a y i e r s t o k e s 方程精确描述了自然界流体流动现象，但是绝大多数工程卜- 流体都属于高度非线性的，无法通过解此微分方程得到解析解。随着计算科学与 t 程( c o m p u t a t i o n a s c i e n c ea n de n g i n e e r i n g ，简称c s e ) 的日益发展，人们 试图通过数值方法直接求解各种控制方程，工业也要求用数值模拟手段解决各种 设备及过程的设计模拟，从而形成和发展了计算流体力学( c o m p u t a t i o n a l f l u i dd y n a m i c s ) 简写为c f d 这学科分支。计算流体力学和相关的计算传热学、 计算燃烧学的原坪是用数值方法求解非线性联立的质量、能量、组分、动量和白 定义的标量的微分方程组。经过近几十年的发展，计算流体力学日益成熟，一个 主要的标志就是各$ 1 c f d 通用商务软件陆续出现，专门用来进行流场分析、流场 计算、流场预测。除了应用于航空、航天、船舶、水利方面外，应用的范围逐步 扩大到化工、冶金、建筑、环境、食品等相关领域【9 j 。通过c f d 软件，可以分析、 显示流场中的现象，在较短时间内预测其性能，并通过改变各种参数，达到最佳 设计效果。c f d 的数值模拟，能使我们更加深刻地理解问题产生的机理，为实验 提供指导，节省实验所需的人力、物力和时间，并对实验结果的整理和规律的得 出起到很好的指导作用。 2 2 1c f d 数值模拟的步骤 c f d 是用计算数学将对流场的控制方程离散到一系列的网格节点上求其离散 的数值解的种方法。其模拟的主要步骤为：首先选择建立过程的基本方程和理 论模型，依据的基本原理为流体力学、热力学、传热传质等守恒定律；其本构方 程为连续性方程，动量守恒方程，能量守恒方程。其次确定计算域，并给定计算 域的进出口条件和边界条件，由流体的流动假设使本构力程封闭；然后对封闭的 一系列方程组进行离散化，选择合适的方法求解；最后针对本实验和模拟结果， 反复修改模型及解法，直至得到合理满意的结果1 1 。c f d 模型应该包括如下几个 方面的内容： 1 、本构方程即连续性方程、动量守恒方程、能量方程等； 2 、湍流模型与层流不同，必须考虑流体单元的脉动速度，从模型的构建及 求解过程来看，其实质是寻找由于脉动而引起的运动粘度的表达式： 3 、多相流模型对于多相流模拟，除了简单的湍流模型外，还要寻求各相问 的运动规律及相问作用力的规律； 4 、模型的求解一数值解法计算时，必须选择好的差分格式、松弛因子、 时问步氏等，以便占用较少的c p u 计算时间而得到收敛的结果。 2 2 2c f d 商用软件 第二章文献综述 目前比较好的c f d 软件有：f l u e n t 、c f x 、p h o e n i c s 、s t a r - c d ，除了f l u e n t 是美国公司的软件外，其它i 个都是英国公司的产品。 f l u e n t 是目前国际上比较流行的商用c f d 软件包，在美国的市场占有率为 6 0 。凡是和流体，热传递及化学反应等有关的t 业均可使用。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，在航空航天、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。其在石油天然气工业上的应用 包括：燃烧、井下分析、喷射控制、环境分析、油气消散聚秋、多相流、管道 流动等等。f l u e n t 软件采用不同的离散格式和数值方法，以期在特定的领域内 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。迄今为止，许多用户使用f l u e n t 对流动和传热进行了模拟 计算”14 1 。 c f x 是由英国a e a 公司开发，是一种实用流体t 程分析工具，其优势在于处 理流动物理现象简单而几何形状复杂的问题。适用于直角柱面旋转坐标系，稳 态非稳态流动，瞬态滑移网格，不可压缩弱可压缩可压缩流体，浮力流，多 相流，非牛顿流体，化学反应，燃烧，n o x 生成，辐射，多孔介质及混合传热过 程。c f x 采用有限元法，自动时间步长控制，s i m p l e 算法，代数多网格、i c c g 、 l i n e 、s t o n e 和b l o c ks t o n e 解法。能有效、精确地表达复杂几何形状，任意连接模 块即可构造所需的几何图形。c f x 的多相流模型可用于分析工业生产中出现的各 种流动。包括单体颗粒运动模型，连续相及分散相的多相流模型和自由表面的流 动模型| l ”。 p h o e n i c s 足英国c h a m 公司开发的模拟传热、流动、反应、燃烧过程的 通用c f d 软件，世界上第一个投放市场的c f d 软件。网格系统包括：直角、圆 柱、曲面( 包括非正交和运动网格，但在其v r 环境不可以) 、多重网格、精密 网格。可以对三维稳态或非稳态的可压缩流或不可压缩流进行模拟，包括非牛顿 流体、多孔介质中的流动，并且可以考虑粘度、密度、温度变化的影响。 另一个c f d 软件s t a r c d 的仓r 始人与p h o e n i c s 的创始人s p a l d i n g 都是英国伦 敦大学同一教研室的教授，他们的软件的核心算法大同小异。这一软件在世界汽 车工业中应用非常广泛| l ”，用来分析汽油机、柴油机中的流动与传热问题。 2 3 湍流模型 2 3 1 本构方程 流体流动和传热过程都受最基本的三个物理规律的支配，即质量守恒、动量 守恒及能量守恒。三个守恒定律的数学表达式一偏微分方程也称为本构方程。 质量守恒方程： 第二章文献综述 孚+ v ( 历) ：s 。 d t ( 2 1 ) 方程( 2 - i ) 是质量守恒方程的通用形式，也称连续性方程。任何流体的流动 都满足此方程。不管流体是否可压缩、稳态流动还是非稳态流动、理想流体还是 实际流体，此方程均适用。源项s 。是从分散相到连续相的质量增量( 如由于液 滴的蒸发) ，源项也可以是任何的自定义源项。 对于不町压缩流体的稳态流动，p = 常数，s 。= 0 ，上式可以简化为： v ( 五) = 0( 2 2 ) 动量守恒方程 a = 一 ( 廊) + v ( 历百) = 一v p + v ( f ) + 店+ f ( 2 - 3 ) 删 该运动方程也称为n a v i e r s t o k e s 方程，其中p 是静压，是应力张量，偌 和f 分别重力体积力和外部体积力( 如离散相相互作用产生的升力) 。f 也包含 了其它模型相关源项，如多孔介质和自定义源项。 2 3 2 湍流的模拟方法 湍流是一种高度复杂的三维非稳态、带旋转的不规则流动。流体内不同尺度 涡旋的随机运动造成了湍流的一个重要特点一物理量的脉动。一般认为，无论湍 流运动多么复杂，非稳态的n a v i e r s t o k e s 方程对于湍流的瞬时运动仍然是适用 的。目前已经采用的数值计算方法可以大致分为三类：直接模拟( d n s ) 、大涡模 拟( l e s ) 、应用雷诺所时均方程的模拟。 直接模拟是用三维非稳的n a v i e r s t o k e s 方程对湍流进行直接数值计算的 方法，因此必须采用很小的时问与空问步长，才能分辨出湍流巾详细的空问结构 及变化剧烈的时间特性，对计算机的内存和计算速度要求非常高，日前无法用于 工程的数值计算。 大涡模拟用非稳态的n a v i e r s t o k e s 方程来直接模拟大尺度涡，但不直接 计算小尺度涡，小涡对大涡的影响通过近似的模型来考虑，大涡模拟对计算机的 内存及速度要求也较高，但远低于直接模拟方法。近年来的研究和应用日趋广泛。 应用雷诺时均方程的模拟将非稳态控制方程对时问做平均，在所得的关于时 均物理量的控制方程中包含了脉动量乘积的时均值等未知量，于是所得方程的个 数小于未知量的个数，造成控制方程的不封闭。因此必须作出假设，即建立湍流 模型。前两种方法能直接得到流体的瞬态流场，而雷诺时均方程只能得到时均值。 在实际工程应用中，人们更关心流动的时均值而忽略湍流细节，对于湍流场都采 取雷诺平均法处理雷诺方程，将湍流场的各瞬时特征值表示为时均值和脉动值之 和。 将流体的瞬时速度表示为时均值与脉动值之和并代入连续性方程和动量方 第二章文献综述 程，再对该式作时均运算： ra u ：0 l a x 1p ( 鲁+ u ，毒 - 一考+ 毒l ( 考+ 等 - 司+ 以 其中 u ，= + “： ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) 式巾，l ，、| p 为瞬时值，m 、p ，为时均值，”：、p ：为脉动值。 2 3 3 湍流模型 为了使_ i 二述的方程式2 4 和式2 - 5 封闭，需要建立合适的湍流模型，也称为 封闭模型。b o u s s i n e s q 于1 8 8 7 年提出涡流粘性系数的概念奠定了后米许多湍流 模型的基础【1 7 】。他将雷诺应力写成如下形式： 一厩确( 等鲁 s ， 式中，是湍流粘性系数。 在求解过程中，按其本质可分为两类：一类是采用湍流粘性假定的“有效粘 性”模型；类是直接建立雷诺应力微分方程的“雷诺应力模型”。 目前，_ 程上应用最广泛的是女一占双方程模型就是属于有效粘性模型。卜- 面具体介绍t 一湍流模型及其应用。 标准t s 双方程湍流模型 t s 双方程模型最早由l a u n d e r 和s p a l d i n g l l 8 1 于1 9 7 2 年提出的半理论经验 公式。标准女一s 模型主要是基于湍流动能和扩散率。t 方程是个精确方程，s 方 程是个由经验公式导出的方程。 、输运方程如下： f 昙c 肚，+ 击c 砌护毒陋+ 丝o - , , j 1 旦a 。, j i 崛崛一胪一k 地圆， 导c 胪，+ 杀c 删沪毒睁+ 尝 考卜 l ， l c ，。导( g ；+ c 3 。g 6 ) 一c 2 。p 二_ + 以( 2 - l o ) 驴。专 ( 2 1 1 ) 第二章文献综述 方程中k 为湍动能，s 为湍动能耗散率。方程巾g ；表示由层流速度梯度而产 生的湍流动能，g 。是由浮力产生的湍流动能，是由于在可压缩湍流中，过 渡的扩散产生的波动，口。和盯，是t 方程和s 方程的湍流p r a n d t l 数，方程中的各 常数可使用l a u n d e r 和s p a l d i n g 的推荐值： c k = 1 4 4 ，c 2 。= 1 9 2 ，c 。= 00 9 ，o = i 0 ，口。= 1 3 标准k s 模型采用了以下几种基本的处理： ( 1 ) 用湍动能t 反映了特征速度； ( 2 ) 用湍动能耗散率反映了特征长度尺度； 2 ( 3 ) 引进了“= 肛。! 的关系： 占 ( 4 ) 利用了b o u s s i n e s q 假定进行简化； ( 5 ) 假定流场完全是湍流； ( 6 ) 分子之间的粘性可以忽略。 标准k s 模型吲而只对完全是湍流的流场有效。计算结果表明，它能比较 好的用于某些复杂的流动，例如环流、渠道流、边壁射流和自由射流”蛆、剪 切流动【“i 、平面斜冲击流【2 2 1 。近几年，国内有人还模拟了三维空间的湍流、旋 流、气体燃烧射流等复杂流体行为1 2 。 但是标准t s 模型它也有其局限性，典型例子有：强旋流( 旋流数大于1 ) 、 浮力流、重力分层流、曲壁边界流、低雷诺数流动、圆射流。所以国内外一些学 者对各向同性的标准k 一模型进行修正。 r n g ( 重整化群) k s 湍流方程 厂杀c 肚，+ 毒c 眺，= 毒卜若 + g 。+ 瓯一班 t 耋三苎三芝三犁+c ，。知+ c 3 如) - c z 。p 以坶 ( 2 - 1 3 ) 在方程( 2 - 1 2 ) 和( 2 1 3 ) 中，湍动能g 。产生项和浮力产生项瓯与标准t s 模型相同，r 。可由下式算得： 第二章文献综述 r ：! 睦匕 1 4-m31 r 其中r oz4 3 8 ，卢= o 0 1 2 ，7 7 ；繇占 方程( 2 1 2 ) 和( 2 - 1 3 ) 巾的吼和口。是t 和f 有效p r a n d t l 常数的倒数，其 值可由下式得到： l 甜一1 3 9 2 9r “i 甜+ 2 3 9 2 9 l 口。一1 3 9 2 9 ll 口o + 2 3 9 3 9 l 其中瓯= 1 0 ：型型 ( 2 1 5 ) 盯 方程( 2 - - 1 4 ) 和( 2 - - 1 5 ) 斗i 的有效粘度。可由下式求得： d 瞻卜z 盎西 弦 其中c 。* 1 0 0 ，：笪 由上面的表达使可以看出，l i n gt s 模型与标准k s 模型主要区别在于： l 、l i n gk s 模型的系数不是根据实验数据而是由理论分析得出的； 2 、r n gt s 模型考虑了湍流受层流中漩涡的影响； 3 、在标准k s 模型中湍流p r a n d t l 数是一个常数，而在r n gk 一刊莫型 中湍流p r a n d t l 数是一个解析的公式； 4 、对于适度的应力流，r n g 模型算出的结果要大于标准k - 模型。 因此r n gk s 模型比标准k 一模型更加的准确和可靠，它特别适用于模 拟分层流、环流、在弯曲几何体里的流动、涡旋流、剪切层不稳定的流动、低p r a n d t l 数流体的传热、低雷诺数流体流动或过渡流o ”1 。 r e a l i z e dk s 湍流方程 r e a l i z e dk s 模型f 2 6 1 与k s 模型和r n gk 一模型的不同之处主要在于：在 k 一占模型和r n gk 一模型中涡流粘度c 。为常数，而在r e a l i z e dk s 模型巾是 平均应力、旋转速率、系统角速度的函数。r e a l i z e d k 一模型已经被证实可广 泛的被用于旋转下的非均相剪切流、边界层的流动1 2 7 。8 i 等。 2 4 壁边界模型 4 第二章文献综述 近壁模型严重的影响计算的准确性，壁面为主要的漩涡和湍流的产牛源。在 近壁区域，粘性力将抑制流体切线方向速度的变化，而且流体运动受壁面阻碍从 而抑制了正常的波动。各变量存在着较大的梯度变化，湍动能和湍动能耗散率都 很大。而近壁面的外部区域，湍流动能受平均流速的影响而增大，湍流运动加剧。 因此准确的描述流体在近壁区的流动行为决定了近壁区域湍流预测的准确性。 k 一占模型和l e s 模型对于湍流核- e l , 的计算是有限的，但是在近壁区，需要 修正才能使之正确的描述近壁区的流体流动行为。 近壁区域大致分为三层：最里面的是“粘性底层”，该层流体处于层流状态， 速度低，在动量、质量、及能量传递方程中起主要作用的是分子粘度：在最外层 为允分发展的湍流层，湍流粘度起主要的作用：在粘性底层和湍流层之间的区域 为过渡层，分子粘度与湍流粘度同时起作用。 处理近壁区域的方法有两种： ( 1 ) 对粘度影响的粘性底层和过渡层不进行处理，通过半经验公式，即所 谓的“壁函数”来连接壁与充分发展的湍流区域，这种方法的优点是避 免因为壁的存在而修改湍流层的湍流模型； ( 2 ) 修改湍流模型，使其可以应用到粘性影响的各个区域，可以在近壁区 域划分更细的边界层网格，对近壁区进行计算。 两者的区别是壁函数法适用于高雷诺数的流体流动，粘度影响的区域不用求解， 后者是修改湍流模型，求解所有的区域，适用于低雷诺数的情况下。 壁面函数是半理论半经验的公式，包括两部分： ( 1 ) 近壁区域平均速度、稳定及其它运动参数所适用的函数： ( 2 ) 近壁区域湍流所适合的公式。 通常近壁区域的处理方法有三种，标准壁匦函数、非平衡壁面函数和增强壁 面函数法。 2 4 1 标准壁面函数 标准壁面函数以l a u d e ra n ds p a l d i n g 假设为基础 用模拟计算t 业流动巾。 在平均流速区域，动量方程为：u + ：1 1 n ( e y + ) 其中儿坚丝 。w p 。；哒 目前已经被广泛的应 ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) 第二章文献综述 当3 0 y 1 2 时，液滴就将分裂。 ( 2 ) 液体系统的外形，夹杂在气体中的液体遇见弧形导流板时，在导流板 上形成了一个液体薄片，薄片在微小的扰动下是不稳定的，因此成为波浪形。当 扰动增大到有限振幅时，液体薄片分裂成细条，最终分裂成小液滴。 由图3 - 1 9 可以看出，雾沫夹带率随着气速的增加逐渐增大。 图3 - 1 9 雾沫夹带 v i g - 3 - 1 9e n t r a i n m e n t 第三章双切向环流进料分布器两相流的数值模拟 3 3 3 3 分布器压力降 双切向环流进料分布器中心z = o 平面压力分布如下图3 2 0 ，从图中可以看 出双切向环流分布器的压力降主要消耗在进口处。气液两相在入口处被挡板分成 左右两股，流道很短，碰到第一块弧形导流板的阻碍时，导致速度梯度在此发生 剧烈变化，压降损失很大。 图3 2 0z = o 平面压力的分布图 f i g 3 - 2 0 l l l - ep r o f i l ef o rs f i c e 脚 气液两相进料，相同液体质量流率，不同气体负荷下，双切向环流进料分布 器的压力降也不同，现在分析分布器上方高度h = 1 5 m 处的压力降。 表3 - 2 不同进口气速下分布器的压降 t a b l e3 - 2p r e s s u r ed r o po f d i s t r i b u t o rf o rd i f f e r e n tg a sv e l o c i t y 进口管气速 3 03 54 2 双切向环流分布器压降a p p a 1 1 3 72 5 63 9 4 3 第三章双切向环流进料分布器两相流的数值模拟 篷 孟 出 图3 - 2 1 双切向环流分布器压降 f i g 3 - 2 1p r e s s u r ep r o f i l eo f t w i n - t a n g e n t i a la n n u l a rd i s t r i b u t o r 由图3 - 2 1 可见，双切向分布器的压降随着进口管气速的增大而增大。张吕 鸿1 7 l 在对比对双切向环流分布器和轴径向型分布器时也得出致的结论。不过本 文得出的双切向环流分布的压降要小的多，其原因可能是由于对分布器的结构进 行了优化的结果，进料管的长度，入口处的人字导流板的角度、弧形导流板的长 度和角度都影响压力降的分布。由此町以看出优良的结构对分布器的性能影响的 重要性。 3 3 j 4 湍动能及湍动能耗散率的分布 气液两相物料经进料管进入双切向环流分布器，物料依次被人字型的入口导 流板、弧形导流板分成多股流体，导向塔底，进而从内套简流出，进入分布器的 上方。气液两相的流动十分复杂，运动方向变化迅速。流体和分布器间、气液两 相问的作用力等因素导致了流体的湍动能在分布器内变化很大。 第三章双切向环流进料分布器两相流的数值模拟 图3 - 2 2 玉= 0 平面湍动能的分布 v i z 3 - 2 2c o n t o u ro f t u r b u l e n tk i n e t i ce n e r g yk ( m j 1 f o rs l i c ez - - o 图3 2 2 可以表明在前两块导流板处湍动能最大，因为流体在这个地方的速 度梯度最大，所以能量损失也大。而进料口对面的挡板处湍动能最小。 不同气体负荷下，进料分布器的最大湍动能不同，随着进口管e 体速度的增 大，最大湍动能随着增大。 r 益 蠕 连 图3 - 2 3 不同气速下最大湍动能的比较 f i g 3 - 2 3 c o m p a r i s o no f m s m u mo ft u r b u l e n tk i n e t i ce n e r g yk ( m 2 ，s 2 1f