（化学工程专业论文）圆环挡板振荡流反应器浓度场的数值模拟.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 振荡流反应器的数值模拟，还停留在对反应器速度场的模拟研究阶段。研 究应用计算流体力学技术对振荡流反应器的浓度场进行数值模拟研究，为模拟 化学反应打下一个坚实的基础。同时，浓度场的模拟对于注入分散特性的研究， 对于振荡流反应器的流动模型的研究都具有重大的意义，它为完成这方面的工 作提供了另一种方法。 本文借助商业计算流体力学软件g a 棚，i t 和c f x ，对五腔室圆环挡板振荡 流反应器进行几何建模，考虑了反应器的进、出料管与注入分散管等复杂的几 何结构；采用了混合结构化与非结构纯网格对反应器的结构进行了数值离散， 在物理边界处加密网格，建立了包含5 6 8 ，6 9 9 个网格的计算模型，计算的准确 性与速度兼顾。鉴于实验过程中流动的复杂性，采用均相自由表面流模型建立 流动的传递方程，采用网格变形模拟振荡边界条件，对湍流过程用静方程来 进行模拟。数值计算阶段对时间导数项的离散采用二阶向后欧拉差分，对流项 用h i 曲融s o l u t i o 娃格式。 以前针对浓度场的研究，大多是用浓度计测出一系列点处的浓度值。这种 方法受浓度计灵敏度限制比较大，测量的方法会对原来的速度场会产生干扰性 影响。因为无需浓度计测量，数值模拟方法不但不会对速度场产生干扰，而显 还能给出示踪剂随的质量传递和速度场之间的关系，有助于从机理上分析示踪 裁的运动规律。对振幅为2 7 越n ，振荡频率为l 。6 7 h z ，无净流条件下，示踪剂 浓度的演化情况的模拟表明：振荡流反应器中主体流动与漩涡构成的二次流动 对腔室中心区域的交替控制促成了强烈的径向混合，使注入管心区的示踪剂在 一至二个振荡周期中迅速分散到整个管截面范围。二次流漩涡相对封闭的流场 结构也影响了其内部流体与主流区流体间的质量传递，因此示踪剂在轴截面上 的均匀分布需要l q 令以上的振荡周期。 研究把模拟得出的浓度场用于分析注入分散过程振荡流反应器的混合效 率。定义一个腔室中的浓度方差c 作为判断混合效率的依据，结果表嬲，c 值 的变化分成两个阶段：第一阶段，c 值随时间快速下降，注入的示踪剂从注入 口传递到整个腔塞；第二阶段，c 值随时间缓慢变化，腔室内的示踪剂分布逐 渐均匀，并与周曝腔室进行传递，c 值是腔室内混合和腔室闻混合共同作用的 结果。 研究模拟了不同振荡条件下的浓度场，并分析振荡条件对振荡流反应器混 合效率的影响，结果表明，基于长程对流混合和短程湍流扩散双模式传递模式 的二项指数衰减曲线方程能够较好地描述示踪剂浓度分布方差值随时间的变化 ( c 关系) 。餍参数表征的混合效率说臻振荡雷诺数越大，混合效率越高，僵 所需要的振荡装鼹的负荷和能耗也越大，实际选取振荡装置时应综合考虑这些 问题。 浙江大学硕士学位论文 研究模拟了不同净流条件下圆环挡板振荡流反应器的浓度场，结果表嚷， 较小净流下速度场与间歇过程基本一致，只是漩涡中心位置有所不同；大净流 剥改变速度场，示踪剂在主流带动下向出隧很快传递。 关键词：数值模拟振荡流反应器浓度场注入分散质量传递混合效率 一1 1 一 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t n 啪e 娃c 舔s 主m 出蝰雌o fo 刚l 啦戆o wf e a c 铉s 雄s 滩妞p e 蠢o do fs i 糙l l l a 专i 驾 v e l o c i t yf i e l do fr e a c t o r i nt l l i sr e s e a r c h ，t h ec o n c e n t r a t i o nf i e l di ss t i m u l a t e d ，w 量l i c h i sas o l i df o u n d a t i 滩f o rs i 搬u l a 专i 珏gr c a c l i o nu s i n ge o m p u t a 圭i o n a ln u i dd y n a 蚵e s 。a t h es 锄et i m e ，s i m u l a t i o no fc o n c e n t r a t i o nf i e l dh a sg r e a ts i g n i f i c a i l c e 证r e s e a r c 重l i n g c h a r a c t e r i s t i co fi 蛹e c t i o nd i s p e r s i o np r o c e s sa n dn o wm o d e lo fo s c i l l a t o 巧n o w f e a c 协纛l ls 印p l i e s 强o t h e f 黼也。莲协a c 毯e v e 巍e s ew o 嫩s i nt h i sp a p e r ，t h eg e o m e 螂o fa no “f i c i a lb a m e do s c i i l a t o 巧f l o wr e a c t o rw i t hf i v e c e l l sw a s n s t m c t e dw i l hc o m p l i c a t e di 芏l l e l ，o 波l e t 觚de e n t e rp i p e si n c l u d e db y e m p l o y 派gt h ec o n h n e r c a lp a c k a g ef o rc o m p t 黼i o n a l 髓u i dd y n a l l 畦e so fg a m b i ta f 避 c f x am e t h o do fh v b r i ds t r l 玉c n j r ea n du n s l 门k t l j r e dm e s h ，葺峪c a 玎i e do u t 由。 玉s c f e 耄汰囊ew h o ke o l 蛳锺dd i s t 纛b 戚羹g 艄耱撵e s 沁d 蘸也ep 姆s i e a lb o 珏砖a 戮 c o n s i d c r i n gb o t ht h ec o m p u t a t i o n a lv e r a c i t ya n ds p e e d ，a n d5 6 8 ，6 9 9g r i d sw e r e g e n e r a 谂df o r 细腩e fc o m p u t a t i o n 。- i h k i n gt l l ec o m p l e x 姆o fj f l o wi n 也ee x p e f i m e n t i n t oa c e o u n t ，m e 缘m s p o r te q u a t i o n sw e r es e tu pa c c o 耐i n gt oh o m o g e n o u s 蠹e e s l 】r f a c em o d e l ，、 ，i t hm e s hd e f o m a t i o nt os i 玎舭l a t eo s c i l l a t o r yb o u n d a r yc o n d i t i o n s 弘镧礅耄主锄sw e 愆砖d e d 箨 h e 基o wp 溅e mw a st 翻岛疆l e 攥。hl ks 锄器o f 蕤鼬e r i e 羹 c a l c u l a t i o n ，t h ed e r i v a t i v et e mo ft i m ee m p l o y e das c h e m eo fs e c o n do r d e r b a c k 黼de u l e la n dn l ec o n v e c 越v et e n nas c h e l n eo fh i g hr - e s o l l l t i o n 。 t h ec o n e e n 躐i o n 蠡e l di ss t l j d i e db yt e s l i n g 协ec o n c e n t 糟专i o 珏o fas e r i e so fp o 趣t si n f o r n l e rr e s e a r c h e s t m sm e m o di sc o n s t r a i n e db vt h es e n s i t i v i t yo fi n s 协l m e n ta i l di t w i l li 疵蛙毫托壤eo r 呈g i n 越纛o w 曩e l d w i 也。毽l h en e c e s s a r yo fu s i 薹l 鼙运s 锨拍m ，也e m e t l l o do fn m n e r i c a ls i m u l a t i o nn o to n l yk e e p st h es 舢v e l o c i t yf i e l do fr e a c t o rb u t a l s oo b t a i n st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nh l a s st r a n s f e ro ft r a c e r sa l l dv e l o c 耐f i e l d ， w h i c 魏i su s e f u l 毫o8 薹l a z e 攮em o v i n 鼗r t l l e so ft r a e e r s 。s i m 蠢a t i o 赣o ne v o l v e 趣e l 建o f n a c e r sc o n c e n t r a t i o nu i l d e rc o n d “i o no f 蹦l p i i t u d e2 7 衄，o s c i l l a t o r y 舶q u e n c y l 。6 7 h za n d 谢氆。饿n e l 爨o w 盘o w ：v 沁l e 嫩豫d i 越m 奴i 稳gw a se a u s e db ye o n 拄o li l l t u mo fm a i n s t i 撇a n ds c c o n d a 搿f l o wr e 西o n 、h i c hw a sc o n s t i t u t e db yv o r t i c c s t h em i x i n gf o r c e dt r a c e r st on ：a n s f e rt or a d i a lf i a c ei no n eo r 铆oo s c i u a t o i vp e r i o d s l 麓el l a l i v ee b s e 蠡o ws 镑毽e l u l o fv o 撼c e sa 鑫e c t e dl 髓a s s 程豫s f e fb e t w o e 程i n n e f l o wa n dm a i n s t r o a mn o w ：s ou n i f o l 硼【ld i s t r i b u t i o no ft r a c e ri na 姒sf a c en e e d e dm o r e t 鼬t e no s e i l l a 的yp e r 主o d s 。 c o n c e n 仃a t i o nf i e l dc o m e s 舶ms i m u l a t i o ni su s e dt oa n a l y s i sm i x i n ge 衢c i e n c yo f o s c i l l a t o r y n o wr e a c t o ri ni 玛e c t i o nd i s p e r s i o np r o c e s s d e f i n ec o n c e n t r a t i o n v a 蠢锺e oeo fae e l | a se 纛绝蠢。程o fl 懿i x i n ge 掇e e f 掩va 戆dl h e 羚s u l l sc o l 摭e 囊蘸l 瓢 c h a n g eo fc c a nb ed i v i d e di n t ot 、 ，op e r i o d s ：t h ef i r s tp e “o dc c h a n g e sv e 拶q u i c k l y w i t ht i 弱始p a s s 锹l dt r a c e r s 糖a n s f e r 盘o mi 堇l i e c t i o nh o l e s 幻搬ew h o l ee e l l ：t h es e e o n d 一1 l l 浙江大学硕士学位论文 p e r 至o dcc h a n g e ss l o w l ya n 纛m e t f l c e r sg f a d u a l l yb e c o 嫩e 班l i f o 糯，a 圭氆es 瓣et i m e ， n l et r a c e r si nm et b i r dc e l le x c h a n g e d 、析t l ln e a rc e u s cw a sar e s u l tc o o p e r a t e db y 薹i ：l 主x i 珏g 弧氇ee e l l 鞠dl 正x i 建gb e 魄e ne e l l s s i i i l u l a t i o no fc o n c e n 唿t i o nf i e l du n d e rd i 丘e r e n to s c i l l a t o r yc o n d i t i o n sa n da n a l y s i s o fo s c i l l a t o r yc o n d i t i o nt ol l l i x i n ge 任- e c to fo f rc o m et h a tm es e c o n do r d e r e x p o n e n 舷l 董h n c t i o n ，w h i 确w a sb a s e do 珏t w op 雒e 瓣镪m s f 酹e 潍s i 纛o fl 黼g d i s 缸u l c em i x i n ga n ds h o r t1 【i l r b u l e n td i s p e r s i o n ，c a nb es u c c e s s f u l l yu s e dt of i tm e c 量l a n g eo fc o n e e 羽氍岖o nv 矧雒e ev s t 至翻i e p 羽徽圭e fw a su s e dt os y f 堇l b o l i 勰el 速x i n g e 舵c ta n di ts h o w e dh i g h e ro s c i l l a t o 搿r e y n o l d sn 砌b e r ，h i 曲e rm i x i n ge 镒c i e n c y b 1 眦i np r a c t i c e ，c h o o s i n go s c i l l a t o 拶e q u i p m e n ta l s on e e d st oc o n s i d e rl a 玛ee n e 唱y d 主s s i p a 毫i o nc o 封s 知m 撼g hq s c i l l a 耋。搿 s i m u l a t i o no fc o n c e n t i a t i o nf i e l du n d e rd i 腑r e n ti l e tn o wc o n d i t i o nc o m e st h a t c o l 毪p a l dw i 也b a 专c hp r o c e s s ，v e l o c i 谚f i e l du n i e rs 礅a l lf l e tn o ww a sa l l n o s lt h e s 锄ea n dt h es m a l ld i 丘i e 辩n c ei sp o s i t i o no ft h ec e n t e r so fv o 蕊c e s ，h o w e v e r ，l a 略e n e tf l o ww o u l db er e s u ht om ec h a n g eo fv e l o c i 母f i e l da | 1 dt r a c e r sw e r et r a n s f e r r e d q u i e 醛y 幻o u l l 痰w i 盘趣a 主纛s 蹴疆 k q 唧o r d s ：n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，o s c i l l a t o 搿n o wr e a c t o r ，c o n c e n t r a t i o n6 e l d ， i 玛e c t i o nd i s p e r s i o n ，m a s st r a n s f e r ，m i ) ( i n ge 贩c i e n c y 一1 v 一 浙江大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第l 章前言 振荡流反应器( o s e i l l 敏o r yf l o wr e a c 舣，缩写为o f r ) 是一种强化传递性 能的新型化学反应设备，在连续操作状态下具有优良的停留时间分布特性，在 化学反应、絮凝、结晶等化工生产过程中具有广阔的应用前景。对0 f r 的数值 模拟研究可以追溯到1 9 豹年，s o 畸采用计算流体动力学( c f d ) 方法对带沟槽 管道内的振荡流动进行了数值研究。而后又有r a l p h 、h o w s 、m a c k l e y 等诸多 学者相继对沟槽型或圆管型o f r 流场进行了二维层流模拟。但实验观察到o f r 流场中存在着不对称漩涡结构，这种结构是二维流动方程组无法描述的，由此 对二维模拟方法的适用性提出了疑问。随着计算机技术的快速发展和数值模拟 方法的逐步完善，采用三维c f d 模拟研究已减为趋势。2 0 0 0 年以嚣，n i 、w 疆 等人相继发表了圆环挡板o f r 的三维模拟结果，对振荡流场的非对称性、网格 类型的适用性、挡板与管壁间隙及挡板偏心度等因素进行了研究，促进了o f r 数值模拟研究的深入发展。 本研究在前人研究流场基础之上，运用有限体积法模拟了示踪剂在圆环挡 板振荡流反应器中浓度场分布形态，研究结果为下一步研究o f r 中的优学反应 过程奠定了良好的基础。此外，通过浓度场的模拟，可以得到更加详细直观的 反应器混合情况，提供另外一种方法研究注入分散特性和振荡流反应器的流动 模型。 1 2 论文内容 本文完成了以下工作： l 。模拟了注入分散过程o f r 中的浓度场分布形态，褥到示踪剂在o f r 中 的质量传递过程。 2 由模拟得到的浓度场计算得到浓度方差，通过分析浓度方差讨论o f r 对示踪荆的混合效率。 3 由已建立的模拟方法考察不同振荡条件下对混合效率的影响，并且同文 献进行比较。 霹通过模拟有净流的浓度场，考察有净流的情况下，净流对速度场浓度场 的影响。 浙江大学硕士学位论文 第2 章文献综述 利用振荡流动改进化工装置混合特性的研究最晕可以追溯于二十世纪六十 年代，核工业的先驱性研究工作表明，在筛板塔中加入流体振荡可以使两相不 互溶液体产生高效混合，该项技术被成功地用于可溶物萃取过程的强化1 】 ( l o n g s d a i l和 i h o m t o n ， l9 5 7 ； l o n g ，1 9 6 7 ；l o 耩 b a l i r d ，1 9 8 7 ) 。 1 9 7 3年， b e l l h o u s e 【2 1 发现在 带沟槽的膜氧合器 孛给流体施加枫械 振荡可有效提高传 质速率。 此后的几十年 内各国研究学者针 对振荡流装置的混 合特性、r t d 、传 质传热特性、实际 应用及c f d 流场 模拟做了大量研究 工作并取得丰富的 成果。 振荡流反应器 ( o s e i l l a 谂黟 蠡o w r e a c t o r ，o f r ) 作为 一种被广泛研究的 振荡流装置，它的 l 一 = r j 9 一_ r l 1 3 ， - ： 骚 ， ， 冀 ： 王8 l 靶舻 。i i ii i 一 i 寸厘 l ll il 图2 o 1o f r 装置示意图 工艺过程主要通过改变振荡频率和振幅来调节。在不同的设备中，o f r 上的振 幄和频率可以用不同的设备来控制。最常见的0 f r 示意图如图2 0 。l 。 其中： l 顼部腔室，2 主体腔室，3 进料口，4 支架，5 传动板，6 电虮，7 出 料口，8 法兰9 挡板，l o 注入管，l l 偏心板，1 2 活塞，1 3 拉杆。 我们可以把图2 0 1 分为两部分：振动部分和流动部分。 一， 一 浙江大学硕士学位论文 图2 。0 20 f r 中挡板示意圈 振动部分主要由下部的电机，传动板，偏心板，活塞等组成，产生不同频 率和振幅的正弦振动，著将振动传递到流动部分腔室中的流体。装置的上部是 流动部分，由顶部、底部腔室和中间腔室等组成。顶部和底部腔室分别有进料 口和出料口供流体流动。底部腔室的注射入口用于注入微量组分。主体腔室由 档板分成研究所需要个数的腔室。单个腔室高度为7 5 m m ，半径为2 5 m m 。挡 板的构造如图2 o 2 所示，挡板之间由四根拉杆固定，挡板中间开孔率为0 5 ， 帮挡板是直径为5 0 m 毽，内径为2 5 凇的匿环。 振荡流反应器的流动模型包含三个无量纲准数【3 】：振荡雷诺数( r e o ) 、斯 特劳准数( s t ) 与净雷诺数( r e n ) ，定义如下： r e ：型 ” & ：旦 矗筇x o r e 。：缢丝 ” p 、“分别为流体的密度与粘度，d 为振荡流反应器的真径，) 【o 为振幅， 力净流速。振荡雷诺数表征了混合强度，斯特劳准数与漩涡的发展相联系，净 雷诺数对净流量的影响进行描述。 2 1 基础研究 2 1 1o f r 结构的研究 二十世纪九十年代，人们对o f r 中挡板位置做了研究。挡板位置不同主要 有两种情况( c o l m a i l 和m i t c h e l l ，1 9 9 0 ；f i n n i g a n 和h o w e l l ，1 9 8 9 ) ，如图2 1 1 1 3 一 浙江大学硕士学位论文 所示： ( 1 ) 图是振荡流设备的二维示意图， 图底部的阴影部分是振荡装置，上部是 流体流动的腔室。( 2 ) 图中，挡板与管道 的内壁面相连，挡板中间开口，流体从 中间开口处通过。( 3 ) 图中，挡板放在管 道中心处，流体从挡板与管道间的空间 流过。 实验表明1 4 】：在传质，传热和能耗 方面，挡板放在壁面处的设备比挡板在 中间的设备有传质，传热性能好，能耗 低的优点。挡板在腔室中的最佳距离为： l = 1 5 d 。l 为挡板的间距，d 是管道的 内径。挡板的开孔半径r = 0 5 r ，r 为开 口半径，r 为管道半径。 随着对这种圆管式圆环挡板振荡 流反应器研究的逐渐完善，人们认识 广- 且1 ll 卜叫 ii r- 1 一j - 一一j t r 卜叫 ll 倒 ( 1 ) 图2 1 1 1 i l 厂 i i i ( 2 )( 3 ) o f r 示意图及挡板结构 到其许多优点的同时也发现了一些不足，例如在挡板上下两侧近壁的地方会存 在有滞留区，挡板的尖端剪切速率过大等，为克服这些缺点并结合实际应用的 需要研究者们提出了各种各样改进的反应器结构，结构上改变的创新主要有两 种： 第一种是挡板的变化 2 0 0 1 年，awf i t c h 和n i l 5 j 用不同材料制成的挡板，例如聚 乙烯，胶乳橡胶等弹性材料，代 替原来的钢性挡板进行了实验， 结果表明胶乳橡胶制成的挡板效 果最好，在操作范围内，安装弹 性挡板的o f r 的体积平均剪切 速率在1 一1 2 s 一，而原来的在 1 3 2 1 4s ，此外弹性挡板还可 以使反应器中的剪切速率更加的 均一。 一 一 ，一2 4 n f 舢删c e r p n m d m 。7 ” 。q 。 强，im m l 雠f 1 9 j ， ；t i i 。，。? ? 7 ： j ”+ ：，j l r i i 脯 ，t f 一，一! ，i 1 。 二二：兰j 兰。：三12 ：笠 | 。1 | 。t j tt j 囊 s； _ ，。 一i 。? 。7 7 、， 图2 1 1 2 多孔挡板 2 0 0 7 年，t h o m a sn s h i p m a n 和a j a yk p r a s a d 【6 】用带多孔的挡板( 图2 1 1 2 ) 进行了实验，他们对不同雷诺数下的流场进行了分析，结果表明该反应器的的 剪切速率范围在o 7 11 1s 。 在o f r 应用于液固体系过程中，吴嘉和李伟7 1 发现当操作停止时，由于圆 环型挡板的环面垂直于固体颗粒的沉降方向，故而有较多的固体颗粒会停留在 一4 一 浙江大学硕士学位论文 挡板上，这给固体颗粒的回收和反应器的清洗带来了不便。因此出现了一个想 法，可否用具有一定倾斜度的锥环挡板代替圆环挡板，用于振荡流反应器的研 究。结果表明，锥环挡板振荡流反应器很好地解决了这个问题。 第二种是反应器主体圆管的变化。 2 0 0 2 年，t h p 和s c m y u 【8 】用波纹管壁反应器( 图2 1 1 3 ) 代替圆管 和挡板的结构，并研究了两种不同的尺寸对流场的影响。结果表明两种结构都 会产生漩涡，但由于结构上的差异产 生漩涡的时间不同。 - - 二! 孝 图2 1 1 3 波纹管壁 图2 1 1 4o s c i l l a t o 搿n o wi n e s o 2 0 0 4 ，n i k i s 和m r m a c k l e y 【9 】等人提出了o s c i l la ：t o r yn o wm e s or e a c t o r ( 图 2 1 1 4 ) ，并研究了该结构振荡流反应器的停留时间分布。 这两种结构都消除了原来的圆管挡板反应器存在的滞留区问题，也消除了 液固悬浮体系的固体颗粒堆积问题。 这些创新丰富了振荡流反应器的研究内容，给振荡流反应器的实际应用提 供了更多的选择空间。 2 1 2o f r 中混合特性和停留时间分布( r t d ) 的研究 振荡流混合是由两个途径共同实现的【1 0 】：大范围的涡流使相距较远的粒子 相互靠近，实现整体混合；小范围内粒子的运动使得这一区域内的粒子浓度均 一化，实现局部混合。对一个等间距加挡板的管内的流体外加振荡，在振幅为 1 1 0 0 m m ，频率为0 5 1 5 h z 时会出现振荡流混合，流体运动受到挡板的影响 从而产生漩涡，在整个管道内部都沿着管径方向分布着这许多漩涡，因此能够 实现良好的整体混合。而流体的振荡又使得小区域内的颗粒不断扰动，从而实 现高效的微团混合。 振荡流反应器有4 个比较典型的状态，活塞启动加速，加速到最大值，活 一5 一 浙江大学硕士学位论文 塞减速，活塞反方向加速到最大值分别对应着图2 1 2 1 的4 个不同的状态。从 图中我们可以看出，在每个流动的加速过程中( 包括向上加速与向下加速) ，都 会在流动方向的下游挡板处产生一对漩涡，产生很强的径向混合效果，而在活 塞的减速过程中产生了径向反混，漩涡进入流动主体，从而使振荡流反应器具 有良好的混合效果。 图2 1 2 1振荡流反应器混合机理 最开始，研究者用轴向扩散模型来描述这种混合。 1 9 8 9 年d i c k e n s 和m a c e y 】等对于水平单管装置的操作做了一系列的研 究，使用轴向扩散模型参数进行描述，证实有显著的良好的混合效果。此外， 对于给定的体积流量与振荡频率存在最优的振幅，使反应器的特性与平推流最 接近。对于其所研究的体系，最优振幅为1 m m ，这个相对而言较小的最优振幅 在工业实际应用中容易实现，并且小振幅有利于减少操作能耗。若目标是获得 较好的混合效果，则操作时振幅大于最优振幅；欲获取与平推流相接近的流型 特征，则需使操作振幅尽量保持与最优振幅相等。振幅较高时挡板边缘对流体 有强烈的剪切力，沿管长的轴向扩散非常明显。 1 9 9 3 年m a c k l e v 和n i 【1 2 】扩展了前面单管装置的研究，对多管的管板振荡 流反应器进行了探讨，分别对多管串联( m u l t i p a s s ) 与并联( m u l t i t u b e ) 体系 研究了其i 玎d 。反应器如图2 1 2 2 、图2 1 2 3 所示。这些研究扩展了先前单管 装置的研究结论，并显示了振荡流反应器操作的灵活性，如用做反应器或换热 器时，多管串联与并联都可以采用。多管串联的i 玎d 数据采用单参数的轴向扩 散模型来模拟时，与之前d i c k e n s 等的结论相一致。同时m a c k l e y 证明，扩散 效率与振幅密切相关，但与频率相关不大。在多管串联体系，弯头的存在对于 混合效果没有太大的影响。而多管并联体系的i 汀d 数据则体现了每个管的i 玎d 非常相近的重要特征，并且管间没有相变化。 当净流雷诺数较高时，挡板是否存在对于扩散的影响已不是很大。但是， 雷诺数较低时，无挡板无振荡时的扩散比挡板振荡存在时更加明显。这个结果 一6 一 浙江大学硕士学位论文 可以表明，对于某给定平均停留时间置净流量雷诺数处于湍流范围的体系，使 用带挡板振荡流可获得分布较窄的r t d 曲线。 0 1 lr。l 图2 1 2 2 多管串联图2 1 2 3多管并联 2 0 0 3 年f i t c h 和n i 对于带周期挡板振荡流间歇反应器采取了激光引发 荧光的新方法对i 玎d 进行测定。所采用的也是单参数的轴向扩散模型。这是首 次对轴向扩散与径向扩教进行定量描述。 吕伟坚和吴嘉【1 4 j 针对o f r 进行注入分散实验研究，结果表明，当反应器 无净流量时可耀浓度场二维图像灰度相对方差来表征浓度场非均匀度。通过获 得的流场图像灰度方差随时间变化的曲线来定量表示混合效果，借此可反应振 荡流特性参数r 口”& 对整个注入分散过程的影响。二项指数衰减函数 e 生白朝e x p 一嬲，) 吲雾x p ( 渤) 可很好豹拟合结果并具有实际的物理意义。用 参数“、r ，j 表征的混合效率说明；大振幅、高频率有利于混合，但在低频率区 会有周期波动的特性，存在最佳的频率振幅配对。非均匀度随时间呈指数型衰 减，衰减速率总体来说随振荡雷诺数冗岛增大而增大，但在辩值较大时的低频 区范围内衰减速率会出现周期性的波动。受腔室几何尺寸的影响，在一些特定 的振荡频率和振幅下，流体可以产生环绕脏室的大旋涡从焉强化混合。而在大 振幅时，即使在较低的振荡频率下就可以形成很好的旋涡，随频率的进一步提 高混合效果已无更多的加强余地，因面基本上无此种随频率周期变动的现象。 总的来说，& 准数决定了振荡流场的长程混合效果，而振荡频率则决定了流体 微团的短程混合效果。随着振荡频率的增大，振荡流场的整体混合能力将增强， 当频率大于l o h z 时该增强豹幄度已很微小。 在o f r 引入净流量后的注入分散实验结果表明：有一定净流量的振荡流体 的混合特性相对无净流时的流体要显得更加复杂，不宜简单的使用衰减指数的 形式来拟合结果，但仍可通过对实验蓝线的积分来获得近似的整体混合效果的 定量描述。在较大的& 准数下，净流雷诺数尺对整体的混合效果影响显著， 无法篱单的描述两者之间的关系。但随振荡强度的加大，郎振幅、频率的提高， 一7 一 浙江大学硕士学位论文 流场特性与尺p 。的联系逐渐减弱。总的来说，有净流时的注入分散特性与无净 流时的总体趋势是一致的。 2 0 0 6 年，吴嘉等人对高振荡雷诺数下的振荡流反应器模型进行了研究，提 出了一种带有二次流区的全混腔室和室间返混的多釜串联( s m t s i b ) 模型15 1 ， 示意图如图2 1 2 4 。 三 i ：q ll!=：=：=：=：-l=：i1 一二| 盟坦堕妲 q 。t1 l q s 囱圈曲 图2 1 2 4 多釜串联模型 图中所代表第f 腔室的主流区体积，圪f 代表该腔室的二次流区体积，形+ k ， 等于第f 腔室的总体积；g 代表第f 腔室出口的示踪剂浓度，c 0 代表第f 腔室 的二次流区浓度；q 为流经反应器的净流量，9 为振荡引起的腔室之间的返混 流量，识为二次流区与主流区之间的交换流量。 依据上面的模型，就可以根据停留时间分布实验结果，运用小生境遗传算 法优化求解模型参数与振荡参数之间的定量关系。模拟计算表明，优化后的模 型给出的停留时间分布曲线与实验结果吻合良好。 2 1 3 多相体系质量传递性能的研究 1 9 9 2 年h e w g i l l 等对振荡流反应器内氧气与水两相界面的传质进行了研 究。实验方法是在管内插入挡板并对流体施加一定程度的振荡条件，先用氮气 置换水中的氧，然后把气体切换成氧气并用探头检测水中氧气的溶解度。他们 先假定整个管内混合良好，即轴向浓度梯度很小，则可获得总的传质系数。浓 度的变化速度计算式为 鲁= 七c 口( c 一力 ( 2 1 ) 式中脚是总传质系数。c 为水中氧气饱和度的百分比值，c 。为c 的饱 和度值( = 1 0 0 ) 。 实验对不同的振幅和频率以及气体流速下的氧气饱和度百分值进行了测 定，并把实验结果用d e c k 、e r 等人先前研究中定义的关系式拟合进行比较。 七l 口= 6 “； 一8 一 ( 2 2 ) 浙江大学硕士学位论文 式中b ，n 为经验常数，l l g 为表观气体流速。 流体无振荡时，未加挡板n = 1 o l ，b = 1 0 1 ，该结果与d e c k 、v e r 的结果一致， 加入挡板后n - o 8 9 ，b 2 0 6 ，传质系数相对减小了。他们认为这是加入挡板后气 泡被集中到了管中心处，阻碍了气液传质的进行造成的。但是当同时对流体施 加振荡后，传质系数有显著的提高，且相同频率下，随振幅的增大而增大。故 振荡流反应器相对于传统的搅拌式反应器有更好的传质效果，尤其是在生物反 应和多相反应这些方面更能凸显其优势。 2 0 0 1 年，n i 旧用高速c c dc 锄e r a 对圆环挡板振荡流反应器的气液两相传 质进行了定量研究，拟和了气泡大小，气含率与振荡条件，表观气速的关系： 以2 = o 1 7 5 u 瓢p 矿广。2 ( m ) ( 2 3 ) = o 1 u 鞭尸矿) o 。2 ( 2 4 ) 其中： 瓦为体积面积平均粒径； u 。为表观气速 而( p ) 的值由反应器的结构和振荡条件决定。 最后把气液传质系数和气泡大小，气含率进行了关联： 咖毗8 4 筹 ( 2 5 ) 2 0 0 4 年，n i 【l8 】又进行了更深入的研究，发现在普遍应用的振荡条件范围内， 传质速率与喷嘴形状无关，这是因为高振荡混合下产生的剪切速率可以把气泡 打碎。 1 9 9 3 年，m a c k l e y 和n i 【l9 j 针对振荡流反应器多管串联、并联体系所做的 流体可视化实验尤其显示了带挡板的振荡流是一种使粒子均匀分布与良好混合 的有效方式。可视化实验中的粒子是直径为1 0 0 1 5 0 微米的聚乙烯颗粒，中性， 密度为9 6 0k g m 3 。无论是多管并联还是串联体系，当挡板与振荡流同时存在时， 粒子随机混合，并且不在反应器中的任何一个区域有积累。这些结果可以证明 振荡流反应器可以适用于固液悬浮体系，有效的混合、传热与停留时间分布可 以得到良好的控制。 2 0 0 3 年，l a u 、c r i t t e n d e n 和f i e l d 【2 0 】报道在实验操作条件所能达到的最大 振荡及振荡频率下( f = 2 4 h z ，x = 1 0 n 1 1 1 1 ) ，粒子分散过程的各项参数均可有2 0 左右的强化。 2 1 4 传热性能的研究 1 9 9 4 年，m a c k l e y 和s t o n e s t r e e t 对于振荡流反应器的传热效果作了深入 研究。其实验使用水平安装的管壳式换热器，壳层通冷却水，管内通热矿物油， 一9 一 浙江大学硕士学位论文 采用热电偶测定入口帮出口温度，获得了不同净流雷诺数。下以努塞尔数n u 表示的传热效率。 岭竿 ( 2 6 ) 式中d 为管内径，1 1 t 为管侧的传热系数，k 为流体的导热系数。 他们进行的比较研究有：流体无振动时在光滑管和有挡板管内受净流量影 响的传热特性，振荡的流体在光滑管和有挡板管内受净流量影响的传热特性， 在一系列固定振幄下的传热受振荡频率的影响，以及一组固定振荡雷诺数下传 热特性随净流雷诺数变化的情况。 结果表明，振荡流对管壳式换热器传热效果的增强有着真实的作用。在管 壁上增加挡板已可增加热量传递，再加上流体的振动就可获得最佳的换热效果。 在测试过的一个较宽的频率范围内，传热速率主要取决于振幅和振荡频率的组 和，通过选择一定的频率和振幅就可获得对热量传递的精确控制。在相同的振 荡频率和振幅乘积值时，传热效率基本不变化。振荡流最大的益处表现在小净 流雷诺数( 较小的管内表观流速) 时，从试验结果上来看，此时可获得3 0 倍于无 振动时的传热效率。逶避对实验数据的拟合，他们还获零导了当1 0 0 覆8 魏 鬟 已c ； ； 4 一l ； ； ： 鬃 ； g ： ， l蓉 ： 也| ( 一二j ； ； ： ； j一匕 ， 1 活塞 ， 22 进料口 ， ， ， 3 注入管 ， ， ， 0 量 l 4 反应管 。5 挡板 箩 、l 器 6 拉杆 少 c 旷 j ，l ，7。，。 1励 o f r 剖面图注入管放大图 图3 1 1o f r 实验装置 一2 5 一 o 浙江大学硕士学位论文 周成9 0 0 布置，图3 1 1 最右边的图为注入分散管剖面放大图。挡板5 为圆环形， 厚度2 m m ，中心开孔直径2 5 m m 。挡板之间用四根外径5 n 1 i i l 的拉杆连接，挡板 间距为7 5 m m 。 3 2 网格系统 三维模型采用非结构化网格进行离散。边界处流体速度梯度偏大，采用加 密网格( 图3 2 1 ) 。模型节点总数1 9 0 1 7 6 ，网格总数5 6 8 6 9 9 。 型。 图3 2 1 固体边界处的加密网格 中间腔室的网格模型如图3 2 2 所示，图3 2 3 从俯视的角度显示了网格模 一2 6 浙江大学硕士学位论文 图3 2 2x z 截面网格模型 图3 2 - 3x y 截面网格模型 3 3 数学模型 对于项部腔室中空气与流动介质之间的自由表面，采用拟均相多相流【5 3 】 ( 气液两相速度相等且无相互作用，即无鼓泡、溶解等) 模型处理： 昙( 儿成) + 阢( 几r 云) = 。 ( 3 1 ) 昙( p 云) + v p 云云一( v 5 + v 云7 ) ：一跏+ 夕荟 拼 ( 3 2 ) 、11 1 p 2 乙y m p 。p 2 乙y 馐p 征 ，。 y ，：1 厶一| a 口 ( 3 4 ) 气液两相之间存在一个严格的界面，只有位于界面处的网格中心才不等于 0 和1 ，并用式( 3 3 ) 计算混合流体的平均密度和粘度。 对于液相组分示踪剂i 的质量分数z 满足以下方程： 挈+ 笔竽2 毒仃r 考，一毒c 两，蝇限5 、 a t瓠?瓠? 、i 瓠? j瓠j ”| i ，、r 、 其中r ，为扩散系数，s ，为源项，p z 为时均化产生的湍流耗散项，根据 赣江大学硬士学位论文 黼秸假 殳： 两5 簧若 回 融为施密特准数，鸬湍流粘度。 把式3 6 带入3 5 ，得： 挈冉( 厕- v 陋一嫠m m ， ( 3 ，7 ) 湍流模拟采用的是影噱模型，酃在连续性方程与动量方程的基础上引入湍 流动能项与湍流耗散项若，同时增加湍流动能方程与耗散方程来求解湍流问 题： 掣+ v ( 尸酌= v + 丝) v 彭】+ 乓一声 甜 吒 ( 3 8 ) 掣+ v ( 厕书鼢+ 钞】+ 为名乜俐( 3 9 ) o to。x f ，m e l = 1 。4 4 ，e 2 = l 。9 2 ，= 1 o ，疋= 1 1 3 肛为湍流粘度： 辨= q 户等，q 观0 9 乞为黏性力影响项： o = 鲳v 弓( v 弓+ v 云r ) 一要v 。云( 3 鹪v 。弓+ 妒鬈) j 【，j 1 u j 动量方程改变为： 杀( 厕+ v 葫一锄( + v ) 】_ 唧，+ ( 3 1 1 ) ， 争2p 七专p 裳， 弘皤= p 七越| 3 4 边界条件与初始条件 o f r 底部腔室底面为振荡流速度边界，径尚和周向速度为o ，轴向速度为 2 露岛s i 致( 2 万磐) ，其中厂为振荡频率，为振荡振幅，用网格随时间的变形来 模拟振荡边界，见图3 4 1 ，图中最底下的黑线表示平面z = o 。底部腔室侧管为 浙江大学硕士学位论文 净流入口。顶部腔室设为压力边界，旷1 a t m 。其余流- 固面设为无滑移边界。 图3 4 1 网格随时间变形来模拟振荡边界 示踪剂注入时流场已经计算到振荡稳态。初始注入的浓度分布如图3 4 1 。 图3 4 1 的左边一幅图是示踪剂浓度坐标，越黑表示示踪剂浓度越大，注入时间 为l s 。 3 5 数值格式 图3 4 2 初始注入的浓度分布 采用有限体积法来求解控制方程组；对流项离散采用h i 曲r e s 0 1 u t i o n p 叫格 式，区别于传