（热能工程专业论文）几种化工及冶金反应器内多相流动传输现象的模拟研究.pdf

中南大学博士学位论文摘要 摘要 多相流普遍存在于化工及冶金反应器中，多相流传输现象的研究对 正确理解反应器内部过程、指导反应器设计和生产实践均具有重要的意 义。 论文在综合分析c f d ，尤其是多相流c f d 数值模拟方法的基础上， 采用欧拉多流体多相流c f d 方法，耦合单元过程物理模型( 如夹杂物颗 粒碰撞等模型) ，利用通用商业软件c f x 4 4 与自编子程序相结合的手段， 对所给出的几种反应器内的多相流传输现象进行数值模拟研究，并进行 了实验验证。研究对象主要有：钢铁连续铸造中间包、转炉型铁合金精 炼过程侧吹转炉、化工连续重整用的径向移动床反应器。主要的研究内 容和特点有以下三点： ( 1 ) 中间包内流动和夹杂物控制研究 采用底吹气的方式对中间包内的流体流动和夹杂物去除进行控制。 采用自行设计的底吹气装置，对底吹气中间包进行了水模型实验研 究。成功地研究了底吹气对中间包内流体流动形式、中间包平均停留时 间、死区体积分率等的影响，并对底吹气位置进行了参数研究。结果表 明，底吹气有利于改善中间包内的流场、提高中间包平均停留时间、降 低死区体积分率；底吹气能够在中间包内形成“气幕挡墙”；选择吹气 位置b 2 更有利于改善中间包内的流场；中间包底吹气并不一定需要大 的气体流量。 建立了气一液两相多流体c f d 模型和多相示踪剂传输模型，对底吹 气中间包内的气液两相流动、示踪剂的传输行为进行了数值模拟研究。 考察了不同底吹气位置和气体流量对改善中间包流动形式和停留时问 分布的影响。结果与水模型实验相吻合，进一步证实了底吹气对中间包 流动控制的效果。 成功地采用气一液两相多流体模型，耦合对流扩散标量传输方程， 对底吹气中间包内气一液固三相体系中的夹杂物传输行为进行数值模 拟。数值模拟中，采用自编子程序描述夹杂物上浮、颗粒长大、气泡吸 附等传输行为，自编子程序与主程序c f x 4 4 通过子程序接口进行耦合。 详细研究了夹杂物颗粒大小、颗粒碰撞、气泡吸附等对夹杂物传输和去 除率的影响。结果表明，不考虑碰撞的情况下，小颗粒夹杂物的去除较 中南大学博士学位论文 摘要 为困难，5 0 , u r n 大小的夹杂物颗粒的去除率在4 0 左右；颗粒碰撞能显 著地提高小颗粒夹杂物的去除率；底吹气中间包中，气泡对夹杂物颗粒 具有吸附作用，有利于夹杂物的去除；“气幕挡墙”的形成对钢液具有 一定的清洗作用。其结果通过水模型实验得到了验证。 ( 2 ) 转炉型铁合金精炼过程熔池浸入式侧吹现象的数值计算 建立了浸入式侧吹转炉内气液两相欧拉多流体多相流c f d 模型；研 究了浸入式侧吹转炉内气液两相流动状态；采用加入示踪剂的方式来研 究侧吹方式对熔池的混合特性和传质过程的影响。实测数据和新钢l t 转炉的现场数据，均证实了数值模拟的主要结论。 ( 3 ) 径向移动床反应器流动过程的数值模拟 综合浓相多流体多相流传输方程、两相曳力模型，进行适当简化， 推导并建立了适合描述径向移动床反应器内流体流动的c f d 模型。对反 应器内的流体流动形式进行了模拟分析；考察了不同催化剂床层孔隙率 对反应器内的流体分布的影响。现场标定结果证实，采用所建立的基于 n s 方程的c f d 模型，耦合e r g u n 阻力模型，可以用于模拟径向移动床 反应器的流体流动情况，模拟结果准确。 鉴于论文的篇幅，作者在攻读博士学位期间所做的其他工作一“内 循环生物流化床反应器流体力学特性的数值模拟”、“石脑油裂解炉辐射 段内的流动、燃烧、流固耦合传热及化学反应的全耦合数值计算”，以 附录的形式放在文章后，以作本论文的补充。 关键词：多相流，数值模拟，中间包，侧吹，径向移动床反应器 中南大学博士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t m u l t i p h a s e f l o w t r a n s p o r tp h e n o m e n a i ns e v e r a lc h e m i c a la n d m e t a l l u r g i c a lr e a c t o r sh a v eb e e ns t u d i e de x p e r i m e n t a l l ya n dc o m p u t a t i o n a l l y i nt h i sd i s s e r t a t i o n t h ee u l e r i a nm u l t i p h a s em o d e l i n ga p p r o a c hh a sb e e n a d o p t e d i n c o m p u t a t i o n w i t ht h ec o m m e r c i a ls o f t w a r ec f x 4 4 i n c a l c u l a t i o n ，s u b m o d e l s ( ，e g m i c r o i n c l u s i o nm o d e l ) h a v eb e e nc o d e di n f o r t r a n a n dc o u p l e di nc f x 4 4t h r o u g hu s e rf o r t ra ni n t e r f a c e m a i nc o n t e n t sa n dr e s u l t so ft h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w i n g ： f1 ) s t u d i e so nc o n t r o lo ff l u i df l o wa n di n c l u s i o nr e m o v a li nt u n d i s h g a sb o t t o m b l o w i n gt e c h n i q u eh a sb e e ni n t r o d u c e dt oc o n t r 0 1f l u i d f l o wa n di n c l u s i o nr e m o v a li nt u n d i s h f i r s to fa l l ，e x p e r i m e n t sh a v eb e e nc a r r i e do u ti naw a t e rm o d e l t h e f l o wp a t t e m ，r e s i d e n c et i m ed i s t r i b u t i o n ，d e a dv o l u m ef r a c t i o ne t ch a v eb e e n s t u d i e dw i t hv a r y i n gg a sf l o wr a t e sa n da tt h r e ed i f f e r e n tb l o w i n gp o s i t i o n s r e s u l t ss h o wt h a tg a sb o t t o m b l o w i n gi si nf a v o ro fi m p r o v i n gf l o wp a t t e r n ， i n c r e a s i n ga v e r a g er e s i d e n c et i m e ，r e d u c i n gd e a dv o l u m ef r a c t i o n g a si n t u n d i s hc a nf o r mab a 衄e 1 i k eg a sc o l u m n t h eb e s tr e s u l t sc a nb eo b t a i n e d w i t hg a sb l o w i n ga tp o s i t i o nb 2 b a s e do nt h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s m u l t i f l u i dm o d e lh a sb e e n d e v e l o p e dt om o d e lg a s 1 i q u i df l o wi nw a t e rm o d e lt u n d i s h g a sa n dw a t e r h a v eb e e nc o n s i d e r e da sl a m i n a ra n dt u r b u l e n tr e s p e c t i v e l y m u l t i p h a s e s c a l a rt r a n s p o r te q u a t i o n sh a v eb e e nd e v e l o p e dt om o d e lt h et r a c e rt r a n s p o r t i nt u n d i s h t h ee f f e c t so ni m p r o v i n gf l o wp a t t e r na n dr e s i d e n c et i m e d i s t r i b u t i o nw i t hd i f f e r e n tg a sb l o w i n gp o s i t i o n sa n dg a sf l o wr a t e sh a v e b e e ns t u d i e d r e s u l t sf r o mn u m e r i c a ls i m u l a t i o na r ec o n s i s t e n tw i t ht h o s e o b t a i n e df r o me x p e r i m e n t s g a s 1 i q u i dm u l t i f l u i dm o d e l ，c o u p l e dw i t hm u l t i p h a s es c a l a rt r a n s p o r t e q u a t i o n s ，h a sb e e nd e v e l o p e da n du s e di nm o d e l i n gg a s - l i q u i d s o l i ds y s t e m s u c c e s s f u l l y i nm o d e l i n g ，t h em i c r o i n c l u s i o nm o d e l ( f l o t a t i o n ，c o l l i s i o n ， c o a l i t i o n a n db u b b l ea t t a c h m e n te t c ) h a sb e e nc o d e di nf o r t r a na n d c o u p l e di nc f x 4 4t h r o u g hu s e rf o i r a ni n t e r f a c e n u m e r i c a lr e s u l t s s h o wt h a t s m a l l i n c l u s i o n sa r ed i 伍c u l tt ob er e m o v e dw i t h o u tc o l l i s i o n ；t h e r e m o v a lr a t eo f5 0 朋i n c l u s i o ni sa b o u t4 0 ：p a r t i c l ec o l l i s i o nc a ni m p r o v e t h er e m o v a lr a t eo fs m a l li n c l u s i o ns i g n i f i c a n t l y ；w i t hg a sb o t t o m b l o w i n g ， i i l 中南叁堂蔓主堂鱼迨銮 垒堕堡垒坚 - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ - _ _ h _ - _ _ _ _ _ _ _ i - 。_ - 。- 。- 。_ 。- _ 。一一 i n c l u s i o np a r t i c l ec a na t t a c ht ot h eb u b b l e ，h e n c er e m o v a lr a t e c a nb e i m p r o v e d ；b a f f l e 1 i k eg a s c o l u m ni nb o t t o m b l o w nt u n d i s h ，t a k e so n a n “r i n s ee f f e c t ”o nm o l t e ns t e e l w h i c hi si nf a v o ro fi n c l u s i o nr e m o v a l e x p e r i m e n t a ls t u d i e so ni n c l u s i o nr e m o v a l a r ea l s oc a r r i e do u ti nw a t e r m o d e lw i t h o u tg a sb l o w i n g p o l y s t y r e n ep l a s t i cp a r t i c l e sh a v eb e e nu s e da s s i m u l a t i o np a r t i c l e s ，w h i c hh a v eb e e ng r a d e di n t of o u rg r o u p sw i t han e w d e v e l o p e dm e t h o d e x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h ea c c u r a c ya n dr e p e a t a b i l i t yo f w a t e rm o d e le x p e r i m e n tc a nb ei m p r o v e dw i t ht h i sn e wm e t h o d n u m e r i c a l r e s u i t so ni n c l u s i o nr e m o v a lh a v e b e e nv a l i d a t e db yt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s r 2 1n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fs i d e b l o w nf e r r o a l l o yr e f i n i n gc o n v e r t e r b a s e do nf o r m e re x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，ag a s l i q u i dm u l t i f l u i dm o d e l h a sb e e nd e v e l o p e dt om o d e ls i d e b l o w nf e r r o a l l o yr e f i n i n gp r o c e s s g a s a n dl i q u i dh a v eb e e nb o t hc o n s i d e r e da st u r b u l e n t i nn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， b u b b l ei n d u c e dt u r b u l e n c ea n dt u r b u l e n td i s p e r s i o nf o r c eh a v eb o t hb e e n i n c l u d e dw i t hs a t om o d e la n dl o p e zm o d e lr e s p e c t i v e l y g a s l i q u i df l o w p a t t e r nh a sb e e ns t u d i e d t r a c e r , w h i c hi s m o d e l e db ym u l t i p h a s es c a l a r t r a n s p o r te q u a t i o n ，h a sb e e nu s e dt oe v a l u a t et h em i x i n gr a t e a n dm a s s t r a n s f e r a b i l i t y o ft h ec o n v e r t e rw i t h 、d i f f e r e n ts i d e b l o w nm o d e s c o n c l u s i o i i so b t a i n e df r o mn u m e r i c a ls i m u l a t i o na r ec o n f i r m e db yt h e r e s u l t so b t a i n e df r o mitp i l o tc o n v e r t e rb yx i n y ui r o n & s t e e lc o r p a n dt h e f o r m e rw a t e rm o d e le x p e r i m e n t f 3 ) n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fr a d i a lf l o wm o v i n g b e dr e a c t o r b a s e do nd e n s ep a r t i c l em u l t i f l u i dt r a n s p o r te q u a t i o na n di n t e r - p h a s e d r a gm o d e l as i m p l i f i e dc f dm o d e lh a sb e e nd e v e l o p e d ，w h i c hi ss u i t a b l e 内rr a d i a lf l o wm o v i n g b e dr e a c t o rs i m u l a t i o n t h ef l o wp a t t e r na n d d i s t r i b u t i o n u n if o r m i 谚h a v eb e e ns t u d i e di nt h es a m er e a c t o rw i t ht w o d i f f e r e n tp o r o s i t yo fc a t a l y s tb e d r e s u l t so b t a i n e di ns i t uc o n f i r mt h a tt h e d e v e l o p e dc f dm o d e lc o u p l e dw i t he r g u nd r a gm o d e lc a nb eu s e di n c a l c u l a t i n gf l u i df l o wi nr a d i a lf l o wm o v i n g b e dr e a c t o r o t h e rw o r k sc o n c e m e dw i t hm u l t i p h a s ef l o wh a v ea ls ob e e nd o n e d u r i n gm yp h d s t u d i e s s o m eo ft h e s ew o r k sh a v e b e e np u ti nt h ea p p e n d i c e s w i t ha b s t r a c t s k e y w o r d s ：m u l t i p h a s ef l o w , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t u n d i s h ， s i d e b l o w i n g ，r a d i a lf l o wm o v i n g b e dr e a c t o r i v 中南大学博士学位论文 符号列表 符号描述 a 、y b c ，) c 。 e c 。2 e ， d e o 占 e 符号列表 量纲取值 多相流的相标识 体积力矢量 m e 2 t 2 无量纲曳力系数 l k f 方程模型常数 1 k 一占方程模型常数 1 k f 方程模型常数 1 k 一占方程模型常数 1 颗粒直径 l e o t v o s 数 1 单位矩阵 l 近壁区模拟所用常数 1 湍动能耗散率 l 2 t 。 湍流衰减因子 l 通用标量 其他变量( 非反应标量) m l _ 3 重力加速度矢量 l t 2 单位质量流体的湍动能 r t 之 y o n k a r m a n 常数 1 体积粘度 m e l t 。1 质量流率 m t 。 其他相对口相产生的动量传输项m u 2 t 。2 口相对口相的动量传输相 m e 2 t 之 分子( 动力) 粘度 m u l t 1 混合物粘度 m u l t 1 湍流粘度 m u l t j 有效粘度，= + “ m u l t 。1 多相流的总相数 1 静压力 m u l t 之 0 0 9 1 4 4 1 9 2 0 9 7 9 3 0 4 1 8 7 占厶庐g七 k 芎廊心心h砌k p 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本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，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，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 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说明。 作者签名： 醐：衅年手月幺日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名： 聊签箍丝吼世哗月姐 中南大学博士学位论文 第一章绪论 1 1概述 第一章绪论 传输现象广泛存在于化工冶金过程之中，如钢铁连续铸造过程中的钢液流动行 为、加氢重整反麻器内的气体流动现象、生物反应器中的液流循环流动、喷雾干燥、 混合过程等。动量传输、质量传输、能量传输与化学反应( 即“三传一反”) 共同组 成化工冶金过程的基础。传输现象的研究对正确理解化工冶金过程、指导设计和生 产实践均具有极其重要的意义。 传统上，传输现象的研究主要采用理论分析、工程计算和实验等方法来进行。 近二卜年来，作为严格模型的计算流体力学方法开始在化l 冶金中得到应用。计算 流体力学( 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 ，即c f d ) ，是近代流体力学、数值数学和 计算机科学相结合的产物，是一门具有强大生命力的交叉学科。它以数学模型来描 述流体流动过程中的物理和化学现象，使用恰当的数值计算方法，以计算机为工具 进行数值计算，实现对所对应实际问题和物理现象的数值解析。 近年来，随着计算技术的不断进步，计算机的计算速度得到不断升级。尤其是 并行计算机的发展和并行算法的设讨，使得目前的计算能力得到了空前的增强。以 前一些不可能用c f d 进行求解的问题，目前已经成为r 可能。计算能力的增强，使 得日前有能力处理复杂c f d 数值模拟所形成的巨量数据。同时，分布式和共享内存 架构的计算机群的出现，使得计算能力进一步得到增强。目前，对三维复杂流体c f d 结果进行视图化分析已经成为了从c f d 数值模拟结果中获取有用信息的实用工具。 使用c f d 的方法来对物理问题进行研究，也就是c f d 数值模拟研究，已经成为继 实验研究和理论分析研究之后的又一重要研究方法。 然而，绝大部分的c f d 模型和应用研究工作放庄单相流体流动上，如航窄航天、 汽车等的气动分析。单相流c f d 模型发展的相对较为成熟，可以用于模拟较为复杂 的流体流动情况。在反应模型较为准确的情况下，c f d 工具也能对单相反应流进行 较好的模拟，如简单的气相燃烧系统、酸性气氧化制硫磺等。目前单相流c f d 数值 模拟方法主要有l i 。2 3 1 4 jj ：直接数值模拟( d i r e c tn u m e r i c a lg m u l a t i o n ，d n s ) 、大涡 模拟( l a r g ee d d y _ s i m u l a t i o n ，l e s ) 及雷诺平均模型( r e y n o l d sa v e r a g e dm o d e l ， r a m ) 。这些模型，再耦合相应的湍流反应动力学模型，便构成丫模拟单相反应流 的计算流体力学模型。由于计算能力的限制，目前d n s 和l e s 方法，尤其是d n s 方法，只适合于求解简单几何、雷诺数不太高的流体流动过程，对于工程流体计算 中南人学博士学位论文第章绪论 应用绝大部分还是使用雷诺平均模型来进行的。 12化工冶金与多相流c f d 多相流( 含两相流动) 普遍存在于化工和冶金过程之中，如钢铁冶金中的转炉 吹氧冶炼、钢包底吹氩、化工过程的重整移动床内的气固两相流动、生物曝气池等。 多十r 流体流动足相问传质、气液反应、移动床催化反应等过程分析的基础，多相流 幼问题如果得不剑解决，则对诸如多相传质、反应等问题进行严格模拟也就无从谈 起。凶此，开发多相流c f d ( m u l t i p h a s ec f d ) 模型，并推动多相流c f d 模型在化 工冶金中的应用显得尤为迫切。1 9 9 8 年，根据“美国化学工业2 0 2 0 技术展望” ( “t e c h n o l o g y v i s i o n 2 0 2 0 ：t h e u sc h e m i c a l i n d u s t r y ”) ，由美国国家基金会、能源办 公室发起，联合几大化工企业( 如杜邦等) 及几大流体力学软件开发商( 如a e a t 、 f l u e n t 等) 成立了多相流流体力学研究联盟( m u l t i p h a s ef l u i dd y n a m i c sr e s e a r c h c o n s o r t i u m ，m f d r c ) 。联盟的成立旨在i 更好地认识和模拟多相流过程。图1 1 给 出了“美国化学工业2 0 2 0 技术展望”所确定部分研究和发展领域 6 l 。 墨 图1 1“美国化学工业2 0 2 0 技术展望”所确定的部分研究领域“1 多相流c f d 模型是在单相流c f d 模型的基础上发展起来，绝火部分多相流模 型实际上是单相流c f d 模型的一种简单推广。由于多相流动本身内在物理现象的复 杂性，多相流c f d 模型很难象甲相流c f d 那样通用，对于不同流型的多相流( 如 中南大学博士学位论文 第章绪论 1 i 同的颗粒雷诺数情形) 需要使用不同的多相流c f d 模型，多相流c f d 模型的模 拟准确性也存在一定的问题。 近年来，随着数值计算方法与流体测试技术的进步，多相流c f d 模型的研究工 作达到了一个新的阶段，并成为了当今国际研究的前沿和热点领域。多相流c f d 在 化工冶金的大部分领域获得了不同程度的应用，如：气体净化、氧化过程及废水处 理、固定床反应器、结晶过程、混合过程、回转窑煅烧、干燥、膜分离、气体除尘 及高温裂解等过程。但由于多相流动过程的复杂性、研究力量和测试手段等原因， 目前多相流动c f d 模拟不如单相流c f d 模拟那么成熟。对于许多复杂的现象机理 和过程，目前还处于不甚了解的状态，要完全了解甚至解决这螳问题还要做大量长 期艰苦细致的工作。多利流动c f d 数值计算已经成为了计算流体力学的热点，也是 难点问题。 1 3多相流c f d 的研究与进展 13 1 多相流c f d 数值模拟方法 多相流c f d 数值模拟方法主要可以分为两大类：一类是拉格朗日方法( l a g r a n g e a p p r o a c h ) ；另一类是多流体模型方法( m u l t i f l u i da p p r o a c h ) 。两类数值模拟方法巾， 连续相均采用n s 方程组( n a v i e r s t o k e se q u a t i o n s ) 进行流场模拟，求解峨托场： 而对于离散相，拉格朗h 方法求解的是颗粒的运动方程，多流体模型则认为各柏均 是连续的( i n t e r p e n e t r a t i n gc o n t i n u u m ) 、相互作用的，离散相同样采用n s 方程进行 模拟求解欧拉场，因此，多流体模型义被称为欧拉一欧拉模型( 或双欧拉模型) 。按 对离散相处理方式的不同，又可以将拉格朗日方法分成以下三大类： ( 1 ) 欧拉拉格朗日方法m 1 9 1 o 】 欧拉拉格朗同方法认为，气泡和固体颗粒等离散相颗粒的大小和形状是一定 的，计算颗粒总是代表一定数量的真实颗粒的集合体。在数值求解中，第一步，首 先求解连续相的非稳态n ，s 方程组；第二步，利用所求解的流场，根据摩擦定律求 解每一个计算颗粒的下一个时间步的颗粒速度和颗粒位置。如果仅考虑单相祸合 ( o n ew a yc o u p l i n g ) ，剐不考虑颗粒相对流体流动的影响，则数值计算中仅存在以 k l l l , ) 芋的两步过程。如果考虑双向耦合( t w o w a y c o u p l i n g ) ，则除存在以上顺序的 两步外，还存在第三步。第三步中，考虑颗粒对流场的影响，修正流场，用修正流 场再去计算下一时间步的颗粒的速度和位置，由此反复进行迭代求解。计算中，同 时也可以考虑颗粒颗粒、颗粒壁面之间的碰撞。从计算方法e 不难看出，随着离 中南大学博士学位论文 第一章绪论 散相体积分数( 或体积浓度) 的增大，计算中需要的计算颗粒数也会相应的增加， 因而，以上各计算步的计算量会显著增大。目前，这种方法主要应用于稀相多相流 体系的计算上，尤其是稀相两相流体系的计算上，如燃煤锅炉、喷雾干燥等的计算。 ( 2 ) 直接数值模拟方法( d n s ) 1 1 , 1 2 , 1 3 , 1 4 以上标准的欧拉拉格朗日方法中，离散相中的一个计算颗粒被认为仅占有一个 网格点，当然，也仅有一个相对速度作用在这一颗粒之上。d n s 数值模拟方法中， 计算颗粒颗能占有一个以上的网格，因此，同时会有多个不同的速度作用在这一颗 粒之上。而且，湍流不需要任何湍流模型而直接进行求解，因而会产生更加复杂的 颗粒运动方式。d n s 方法要求使用非常小的网格尺度和很短的时间步长，这样会导 致对计算能力的巨量需求。一般来说，d n s 方法能够给出较为精确的结果，当实验 无法进行的时候，这一方法也被用于验证其他模拟方法的准确性。由于d n s 方法 计算量的巨大，造成d n s 方法目前几乎不可能会有较好的工程应用。大涡模拟 ( l a r g ee d d ys i m u l a t i o n ) 是d n s 的计算精度和计算量相权衡的一个结果，l e s 的 方法通过采用比d n s 方法较为粗的网格和较大的时间步长，对不同尺度的大涡和 小涡进行模拟。相对而言，比d n s 计算量稍低，然而离大规模的工程应用仍然还 有一段距离。 ( 3 ) v o f 方法 1 5 , 1 6 , 1 7 】 v o f 方法( 即v o l u m eo ff l u i d ) 主要用于对气液两相流的模拟计算。v o f 方 法用于模拟离散气泡流时，气泡被认为是可以变形的，甚至可以模拟气泡的自由液 面。v o f 方法中，求解单一的流体速度矢量场，气泡则是通过它的低密度来和液体 区分开，液体的体积分数被用来表征气液界面。气液界面上存在着很大的密度梯 度，由于网格大小的原因，较粗的网格很难准确捕捉这一密度梯度变化，因此，也 就很难保证气泡质量守恒和光滑气泡表面的求解计算，而且计算量非常巨大。正是 由于以上的诸多原因，至今为止，v o f 方法用于计算离散气泡流时，液相和气相的 密度比基本不超过2 0 。而实际的水气密度比将近8 0 0 ，因此，v o f 方法用于模拟 水中的实际气泡行为还有一定困难。但v o f 方法在模拟自由液面流动方面获得了 较大的成功。目前，在化工和冶金领域，v o f 方法主要用在自由液面的模拟上。 综上所述，利用拉格朗日方法对化工和冶金反应器内的多相流进行模拟，尤其 对气泡流、高离散相体积分数的多相流进行数值模拟，存在着较大的局限性。 而采用多流体模型对多相流进行数值模拟，并不跟踪某一个流体计算颗粒的运 动过程。多流体模型中，离散相与连续相对等地进行处理，均使用n s 方程进行模 拟，连续相和离散相颗粒都有确定的体积浓度，分别求解连续相和离散相的连续性 中南火：学尊+ 学位论文 第一章绪论 方程、动量方程和能量方程等。只是在所求解的各方程中都必须乘上一体积浓度， 离散相对连续相的作用主要体现在离散相的体积浓度r ，且相削的动量、能量和物 质传输通过理论分析模犁，或实验模型，加到各方程二，实现离散相和连续相的全 耦合计算。流场中每一点上的离散相颗粒的体积浓度是由求解离散相颗粒连续性方 程得到的，不能由单个计算颗粒所在的位置确定，利用离散相颗粒的体积浓度和速 度，可以求出相应的动量传输项、质量传输相等。欧拉方法突破了拉格朗日方法不 瓜适合高体积分数多相流数值计算的限制，通过鞘合恰当的相问传输模型( 如e r g u n 阻力模型) ，可以较好地应用于浓相多相流的数值计算上。采用多流体c f d 模型， 通过求解，叫。以满意地给出连续相和离散相的相互影响，并且还能较好地描述离散 相在连续相中的湍流混合过程。 因此，作者在木论文中，对化工及冶金反应器内的多相流传输现象的c f d 数值 模拟并未采用抟格朗日的方法，而采用的是多流体c f d 模型的方法。具体的数学模 型见第二章。 1 3 2 相间动量传输 多相流动中，除存在与单相流基本一致的相内动量传输、能量传输和组分传输 外，由于各相速度、组分浓度和能量存在着不平衡，因而会存在着相间动量传输、 组分传输和能量传输行为。一相对另一相的动量传输表现在对其会产生力的作用， 山于多相流本身物理现象的复杂性，相间作用力的产生也较为复杂。多：日流数值模 拟中，需要较为准确地模拟相间作用力( 相问动量传输) ，相间作用力的模拟对多相 流的数值计算结果的速度和相分稚具有非常恩著的影l 咖8 ”j 。相问的相互作用力可 以由以下几种凼素引起： ( 1 ) 两相间由于存在速度差而产生的曳力( d r a gf o r c e ) ： ( 2 】离散相颗粒间的相互碰撞及颗粒与壁面的碰撞产q 三的颗粒相应力； ( 3 ) 两相脉动速度问的相互关联而产生的作用力： ( 4 ) 其它因素如壁面对流体和颗粒运动的影响等。 可见相间的相互作用机理较为复杂，它和颗粒与湍流、颗粒与颗粒、颗粒与壁 面问的相互作用均有关系1 4 , 8 2 0 1 。根据流体对单个颗粒的作用机理不同，相间的作用 力可以分为：曳力( d r a gf o r c e ) 、b a s s e t 力、s a f f m a n 力、虚拟质量力和颗粒相的压 力等。与相i 可曳力相列应，相间的b a s s e t 力、s a l l m a n 力、虚拟质量力和颗粒相的 压力等又可通称为非曳力( n o n d r a gf o r c e ) 。根据施学贵”埘相间非曳力的研究表 明，b a s s e t 力、s a f f m a n 力、m a g n u s 力、虚拟质量力一般情况下较小，为了研究问 题的方便，在多数使用多流体模型数值计算研究中均未计入这些力的影响。两相间 中南人学博十+ 学位论义第一章绪论 方程、动量方程和能量方程等。只是在所求解的各方程中都必须乘上体树浓度， 离散相对连续相的作用主要体现在离散相的体积浓度上，且相问的动量、能量和物 质传输通过理论分析模型，或实验模型，加到各方程l ，实现离散相和连续卡开的全 耦合计算。流场中每一点上的离散相颗粒的体积浓度是由求解离散干日颗粒连续性方 程得到的，不能由单个计算颗粒所在的位置确定，利用离散相颗粒的体积浓度和速 度，可以求出相应的动量传输项、质量传输相等。欧拉方法突破丁拉格朗h 方法不 太适合高体积分数多相流数值计算的限制，通过耦合恰当的相问传输模掣( 如e r g u n 阻力模型) ，叫以较好地应用于浓柑多梢流的数值计算上。采用多流体c f d 模型， 通过求解，可阱满意地给出连续；t h o u 离散相的相互影响，并且还能较好地描述离散 艄在连续帽中的湍流混合过程。 因此，作者在奉论文中，对化工及冶金反应器内的多相流传输现象的c f d 数值 模拟并未采用拉格朗h 的方法，而采用的是多流体c f d 模型的方法。具体的数学模 型见第二章。 132 相间动量传输 多相流动中，除存在与单相流摹本一致的相内动量传输、能量传输和组分传输 外，由于各相速度、组分浓度和能量存在着不平衡，困而会存在着相间动量传输、 组分传输和能量传输行为。一相对另一相的动量传输表现在剥其会产生力的作用， 由于多相流本身物理现象的复杂性，相间作用力的j “生也较为复杂。多相流数值模 拟巾需要较为准确地模拟相间作用力( 相问动量传输) ，相间作用力的模拟对多相 流的数值计算结果的速度和相分加具有非常显著的影响m “”j 。相州的相瓦卅j 用力可 以由以下几利t 凼素引起： ( 1 ) 两相间由于存在速度差而产生的曳力( d r a g f o r c e ) ( 2 ) 离散相颗粒间的相互碰撞及颗粒与壁面的碰撞产生的颗粒相应力； ( 3 ) 两棚脉动速度问的相互关联而产牛的作用力： ( 4 ) 其它因素如壁面刑流体和颗粒运动的影响等。 可见相问的相互作用机理较为复杂，它和颗粒与湍流、颗粒与颗粒、颗粒与壁 面阃的相互作用均有关系 4 , 8 , 2 0 1 。根据流体对单个颗粒的作用机婵不同，相间的作用 儿可以分为：曳力( d r a gf o r c e ) 、b a s s e t 力、s a f f m a n 力、虚拟质量力和颗粒相的压 j j 等。与相问曳力相刘应，相间的b a s s e t 力、s a f f m a n 力、虚拟质量力和颗粒相的 压力等又可通称为非曳力( n o n d r a gf o r c e ) 。根据旌学贵口对相剧非曳力的研究表 明，b a s s e t 力、s a f f m a n 力、m a g n u s 力、虚拟质量力一般情况下较小，为了研究问 题的方便，在多数使用多流体模型数值计算研究中均未计入这些力的影响。两相问 题的方便，在多数使用多流体模型数值计算研究中均未计入这些力的影响。两柏问 s 中南人学陴士学位论文 第一章绪论 还存在一些其它作用力，如光泳、电泳和热泳作用力等，由于这些力只存在于特殊 情况下，且一般数量级较小，因i 面町忽略不计。因此，相问作用力中，实际上经常 考虑的是相间曳力和非曳力中的相问压力两部分。相间压力一般仅在浓相的气固多 相流中考虑，对于稀相气周多相流和气液多相流一般认为各相的压力相同。至丁多 帽流动中的稀相和密相问题的界定，主要采用两种区分方法。其一，是按照不连续 相的体积分数浓度的大小来进行区分。当不连续相的体积浓度较大时，就认为该多 相流为密相多相流，反之即为稀相多相流。r i z k l 2 1 l 认为，颗粒体积浓度大于0 4 时 的多相流即为密相流动。其二，是按控制粒子运动的机制不同区分。稀相流动中粒 r 体积浓度较低，粒子之间碰撞较少，因而颗粒的运动主要由当地流场所控制；而 密押流动中，颗粒体积浓度较高，颗粒之间及颗粒与壁面之间碰撞较频繁，因而颗 粒的运动主要南颗粒之涮的碰撞及颗粒与壁面的碰撞来决定。通常采用颗粒松驰时 问f 。和碰撞时间间隔f ，之比作为定量描述密帽的标准。当p 吒“时，颗粒在下次 碰撞之前有充分时间响应当地流场，从而使颗粒之间填充的流体能起到一个屏障作 用柬阻止颗粒相互的直接接触碰撞因而颗粒运动就由当地流场控制，颗粒和颗粒 则是通过它们之间填充的流体而相互作用，就称这种两相流动为稀相流动，颗粒相 被称为稀相。反之，当。，。t 7 1 刚，颗粒在下次碰撞之前没有足够时间响应流体动 力，从而能够穿过颗粒之间的流体膜而直接碰撞发生相互作用，因而颗粒运动就由 碰撞决定，此种两相流动被称为密相流动，此时颗粒相就是密相。可见在密相流动 中既要考虑流体对颗粒的作用，也要考虑颗粒对流体的作用，形成双向耦合；而在 稀相流动中，主要考虑流体对颗粒的作用 的界定显著地影响相间作用力模型的选择 1 ，3 3 湍流模拟 不考虑颗粒对流体的作用。浓相和稀相 详见第二章。 与单相流一样，湍流模拟对正确描述多相流动也是至关重要的，而且多相流湍 流比单相流湍流更为复杂。多相流中，一相的存在会导致另外一相湍流的增强和减 弱，如气液两相流中，气泡的存在会导致液相中湍流的增强。对多相流中湍流现象 进行描述早在2 0 多年前就已经开始了。b r a u e r 是最早给出多相流中存在不同的湍流 源及湍流生成原理的研究者之一口”。他对多相流中的湍流生成类型进行了鉴别，这 些类型可以列出如下 2 4 , 2 5 1 ： ( 1 ) 雷诺端流( r e y n o l d st u r b u l e