（流体机械及工程专业论文）基于cfd的规整填料塔流场分析.pdf

摘要 摘要 为了能够更准确的了解格栅规整填料和丝网规整填料塔内的流场分布状 况，以及通过分析流体流过填料片的压力降，进而来分析和预测填料塔的压力 降，本文中利用计算流体力学软件f l u e n t 对格栅规整填料的流场分布和压降 规律、金属丝网规整填料的流场分布和压力降进行了数值模拟和计算。 在对格栅规整填料的流场和压力场分析过程中，采用湍流模型分析了单相 流时五种长宽比的填料结构，在五种不同流速状况时的流场分布和压降规律。 通过模拟结果可以看出，当流速不变时，填料层中压降的大小随着填料长宽比 的增大而增大。当长宽比不变时，填料层中的压力降随着流体流速的增大而增 大。说明格栅填料的结构特性对填料层的流场分布和压力降都有明显的影响。 而且，在考虑填料压降时，不能忽略填料层中回流的影响，通过与传统的计算 填料压降的公式比较发现，利用传统计算波纹板填料压降的公式计算格栅填料 的压降，误差比较大，计算波纹板结构压降的公式并不适用于格栅填料。 在分析金属丝网规整填料的过程中，采用了湍流模型和多孔介质模型，将 金属丝网填料区域近似看作是多孔介质区来进行模拟。为了确切的了解金属丝 网规整填料的结构变化，特别是金属丝网规整填料波距的变化对流动和传递性 能的影响。在这里保持丝网波纹填料的波高不变，通过改变波距来分析相应的 流场分布和压力场分布，从而得到流场、压力场和波距( 波齿角) 变化之间的 关系。通过模拟结果可以发现当金属丝网规整填料的波高保持不变时，填料层 内的压降规律是一个抛物线型的变化。在某一个特定的波齿角时压降具有最小 值，这说明在丝网规整填料的设计优化时，可以考虑改变波齿角的大小以便具 有优良的传递性能。而且与相关的结论比较发现，本文的结果与理论分析基本 符合。 利用计算流体力学软件进行填料的分析和优化设计，不需要进行大量的实 验操作和大量实验数据的测量，只要输入相关的物性参数和结构参数即可。因 此，为大型填料塔和规整填料的分析和优化提供了一种参考和依据。 关键词：计算流体力学( c f d ) ；规整填料；两相流；压降；格栅填料；丝网填料； 流场分析 a b s t r a c t a bs t r a c t i no r d e rt o a c c u r a t e l ya n a l y z et h e f l o wf i e l do ft o w e re q u i p p e dw i t hg r i l l s t r u c t u r e dp a c k i n ga n dg a u z ep a c k i n g ，a n da l s oa n a l y z et h ep r e s s u r ed r 叩0 f 恤 s t r u c t u r e dp a c k i n gt op r e d i c tt h ep r e s s u r ed r o po fw h o l et o w e r h e r ew ea n a l y z e dt h e f l o wf i e l da n dp r e s s u r ed r o po ft h eg r i l ls t r u c t u r e dp a c k i n ga n dg a u z ep a c k i n gb ys o f t w a r ef l u e n t w h e ns t u d yt h ef l o wf i e l da n dp r e s s u r ed r o po fg r i l ls t r u c t u r e dp a c k i n g ，w eu s e t h et u r b u l e n c em o d e l i n gt oa n a l y z ef i v ed i f f e r e n tl e n g t h w i d t hr a t i o sp a c k i n gi nf i v e d i f f e r e n tf l u i df l o wc o n d i t i o n 、s i n g l eg a sp h a s ef l o w t h r o u g ht h es i m u l a t i o nr e s u l t w ec a l lf i n dt h a tw h e nt h ev e l o c i t yi sf i x e dc h a n g et h el e n g t h w i d t hr a t i ow i l lc h a n g e t h ef l o wc o n d i t i o no ff l u i d , w h e nw ef i xt h el e n g t h - w i d t hr a t i oa n di n c r e a s et h e v e l o c i t yo ft h ef l u i dt h ep r e s s u r ed r o pw i l li n c r e a s ea l s o a l lo f t h i si n d i c a t e st h a tt h e s t r u c t u r eo ft h es t r u c t u r e dp a c k i n gh a v eo b v i o u s l ya f f e c to nf l o wf i e l da n dp r e s s u r e d r o po fg r i l lp a c k i n g a n dw h e nw ec o n s i d e rt h ep r e s s u r ed r o pw ec a n ti g n o r et h e b a c k f l o ww i t h i ns t r u c t u r e dp a c k i n g c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lp r e s s u r ed r o p c a l c u l a t ef o r m u l a ，w ef r e dt h a ti fw eu s et h i sf o r m u l aw h i c hu s e dt oc a l c u l a t et h e c o r r u g a t e ds h e e tp a c k i n gt op r e d i c tt h ep r e s s u r ed r o po fg r i l lp a c k i n gt h er e s i d u a li s l a r g e s ow h e nw ec o m p u t e rt h ep r e s s u r ed r o po fg r i l lp a c k i n gw ec a n t u s et h e t r a d i t i o n a lf o r m u l a w h e na n a l y z et h em e t a lg a u z es t r u c t u r e dp a c k i n g ，w eu s e dt h et u r b u l e n tm o d e la l l p o r o u sm e d i u mm o d e l t h eg a u z ep a c k i n gz o o na r ea p p r o x i m a t e l yc o n s i d e r e da s p o r o u sm e d i u mz o o nw h e ns i m u l a t i o n i no r d e rt oe x a c t l yk n o wt h ei n f l u e n c eo f g a u z ep a c k i n gs t r u c t u r eo np r e s s u r ed r o pa n do t h e rt r a n s f e rp e r f o r m a n c e ，e s p e c i a l l y c h a n g et h ep i t c ho f w a v e s ow es t u d yt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e np r e s s u r ed r o p 、f l o w f l u i dd i s t r i b u t i o na n dc h a n g eo ft h ep r c ho fw a v e su n d e rt h es a m ep a c k i n gh e i g h t t h r o u g ht h er e s u l tw ec a nf e n dt h a tt h e r eh a sap a r a b o l i cr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e p i t c ho fw a v ec h a n g ef r o ml i t t l et ol a r g ea n dt h ep r e s s u r ed r o pw h e np a c k i n gh e i g h ti s ac o n s t a n t i nas p e c i f i ca n g l eo fg e a r sw i n lm i n i m u mp r e s s u r ed r o p ，w h i c hi l l u s t r a t e t h a tw h e nw ew a n tt oa c h i e v et h eo p t i m i z e dd e s i g no fg a u z es t r u c t u r e dp a c k i n gw e i i f l o w ；t h ep r e s s u r ed r o p ；g r i l l ep a c k i n g ；s i l ks t u f f i n g ；a n a l y s i so ff l o w f l u i d 瘩 1 1 1 目录 目录 第1 章绪论1 1 1 引言1 1 2 填料塔研究现状2 1 3 流体分布模型的研究现状4 1 3 1 扩散模型4 1 3 2 静态混合器模型5 1 3 3 节点网络模型5 1 3 4 单元网格模型6 1 3 5 计算流体力学( c f d ) 模型7 1 4 填料表面液膜流动研究的现状1 0 1 4 1 液膜流动的理论研究1 1 1 4 2 液膜流动的数值模拟方法1 2 1 4 3 液膜流动的实验测试方法1 3 1 5 本章小结1 4 第2 章计算流体力学模型及数值方法1 5 2 1 引言15 2 2 湍流模型概述1 6 2 2 1 本构方程。1 6 2 2 2 湍流模型1 7 2 2 3 多孔介质模型2 2 2 2 4 多相流模型2 3 2 2 5 模型的求解及数值算法2 5 2 3 计算流体力学软件介绍2 8 2 4 本章小结2 9 第3 章格栅填料压降的c f d 分析及流场模拟3 0 3 1 引言3 0 i v 目录 3 2 单相流时的压降和流场分析3 0 3 2 1 物理模型- 3 0 3 2 2 数学模型的建立31 3 2 3 边界条件3 3 3 2 4 网格划分及数值求算方法3 4 3 2 5 计算模拟3 6 3 2 6 模拟结果与讨论3 7 3 2 7 不同结构下气速与压降的变化曲线图4 3 3 2 8 小结4 3 3 3 两相流动时的流场分布4 4 3 3 1 物理模型4 4 3 3 2 数学模型4 5 3 3 3 边界条件的设置一4 7 3 3 4 网格划分及数值求解方法4 9 3 3 5 结果分析与讨论5 0 3 3 6 模型验证5 1 3 4 本章小结5 2 第4 章波纹丝网填料的压降分析及流场模拟5 3 4 1 引言5 3 4 2 物理模型5 3 4 3 数学模型5 4 4 4 边界条件5 6 4 4 1 入口边界条件5 6 4 4 2 出口边界条件一5 6 4 4 3 对称边界条件5 6 4 。4 4 壁面边界条件一5 6 4 4 5 多孔区域设置5 7 4 5 网格划分及数值求算方法5 7 4 5 1 网格划分5 7 v 目录 4 5 2 求解设定5 8 4 6 模拟结果分析5 8 4 7 丝网填料的波距与压降关系图6 3 4 8 本章小结6 4 第5 章全文总结与展望6 5 5 1 主要成果6 5 5 2 展望6 5 致谢6 7 参考文献6 8 攻读学位期间的研究成果7 0 v 1 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 塔设备是重要的传质传热分离设备，主要分为板式塔和填料塔。其中填料 塔由于具有制造方便、更换容易、材质范围广泛、适应能力强、节能等优点， 已被广泛应用到化工、炼油、食品、轻工环保等许多部门，并有逐步取代板式 塔的趋势【l 】，对国民经济的发展有很大的影响。 按照填料塔中填料结构形式不同，填料塔又分为散堆填料塔和规整填料塔。 相比较散堆填料塔来说，规整填料塔具有压降低、效率高和通量大等优点，因 此被广泛的应用在各个行业。但是伴随着填料塔的广泛应用和规模的不断扩大， 塔设备的放大效应也越来越突出。为进行优化设计及解决放大效应、节能和产 品质量控制等问题，国内外很多研究者对规整填料塔内的流体力学行为和传质 过程进行了大量的实验研究1 2 ，并获得了很多的经验模型。但是由于应用试验的 方法不容易得到流场分布的相关信息和浓度场分布的相关信息，而且经验方法 的适用范围也很有限。至今，还没有一个能满足各种状况的普遍适用的经验模 型。但是随着计算机技术及流体力学的不断发展，计算流体力学已经被逐渐的 应用于填料塔的设计计算中来。 虽然说计算流体力学的方法是一种新型的测试方法，要想得到准确的解， 必须要建立精确的模型。但是，由于现在并没有很好的测试技术用来测量填料 塔内的流场，不能有效的验证计算模拟的结果和模型的准确性，这使得计算流 体力学模型不能被广泛的应用。然而，应用计算流体力学方法分析填料塔可以 很容易获得流场相关的很多信息，而且同其他方法相比较，c f d 方法投资低， 耗时少，可以有效的解决放大效应的难题。因此，随着流体力学的发展以及计 算机技术的发展，c f d 技术在填料塔分析中的应用将会越来越广泛，计算流体 力学的分析方法也将会成为我们进行填料塔设计与改造及新型填料开发的重要 工具。因此，利用计算流体力学软件对填料设备进行流场分析，和流场模拟， 掌握内部流畅分布规律对我们进行实际的设计和进行设备改造都有很大的工程 实际意义。 第1 章绪论 1 2 填料塔研究现状 塔器是重要的传质、传热分离设备，从结构上来看主要分为板式塔和填料 塔【5 1 。板式塔结构较为简单，易于放大、造价较低，适于常压或加压物系，特别 适用于大塔径、多侧线的汽液传质工况。而填料塔则具有制造和更换容易、材 质范围广、适应能力强、节省能耗等优点；且大多数情况下分离性能优于板式 塔【3 1 。由于它们不同的特点，所以塔设备在国民经济的各个行业中已经被广泛的 应用了。填料塔中的核心构件是塔填料，塔填料是主要的传质和传热场所，按 照结构的和叠放次序的不同，主要分为散堆填料和规整填料两类。 散堆填料以其制作简单、装填方便、分离效果好等优点被人们广泛应用， 人们对散堆填料的研究开发也从未停止过，目前散堆填料的结构可谓五花八门。 在环保领域填料也被广泛应用，其中立体弹性填料是目前净化有机废水的处理 工艺中的主要填料【4 】。它是继各种硬性类填料、软性类填料和半软性填料后的第 四代高效节能新颖填料，由于它的结构特点可以使得填料水以及气体能够充分 混合，而且它可以保持很好的活性和空隙率，在生产过程中可以获得很大的比 表面积，同时又能进行良好的新陈代谢，这一特征与现象是国内目前其他填料 无法比拟的。由此，我们可以看到，散堆填料的结构、形状及堆砌方式是影响 流体在床层的流动和分布以及气液接触状态的主要因素。因此通过研究填料的 结构和机理，并以此为基础对填料的结构进行优化改进，就可以提高两相的接 触面积，增加空隙率，减小压降，使得气液两相在整个塔截面上能够均匀分布， 从而改进填料塔的性能。 规整填料分离效率的优势主要得益于它的比表面积大。虽然早在4 0 年代就 出现了金属丝网规整填料，但是规整填料真正的生命力却是从2 0 世纪6 0 年代 苏尔寿公司开发的金属丝网波纹填料开始的，此后规整填料的研究十分活跃， 新品种层出不穷i l j 。 除此之外，国外的许多学者、公司在规整填料开发方面也都做了大量的工 作，并且取得了很多的研发成果。相对于国外的现状而言，国内在规整填料的 研发方面也取得了不小的成果，上海化工研究院的s m 、s w 、s c 、s b 系列新型 规整填料、天津大学开发出来的的脉冲规整规料以及组片式波纹填料、南京大 学开发的波纹型系列无壁流规整填料、中石化洛阳工程公司开发的l h 型规整填 2 第1 章绪论 料、清华大学开发的新型复合填料及分层填料等，都成功地进行了工业应用1 5 】。 从生产规整填料的不同材质来看，主要的材质有金属材质、非金属材质等， 非金属材质又可分为塑料材质和陶瓷材质，而且各种材质都有各自不同的特点。 相比之下，陶瓷材料具有耐腐蚀耐高温的优点，不锈钢则成本相对较高，塑料 材质虽然成本比较低但是却不耐高温。若从规整填料的形状上来划分，又可以 分为织网型、格栅型以及丝网和波纹板型几种。织网类规整填料一般适用于低 液体流率场合，而格栅类规整填料由于孔隙率大阻力小，因此在含固体的流体 或要求压力降小场合应用的比较多。丝网型和波纹板型这两类填料性能介于织 网型和格栅型之间。由于金属孔板波纹填料应用的时间长，而且制造容易、成 本低、同时又具有比较成熟的设计数据。因此，现阶段国内外应用较多的还是 金属孔板类波纹填料，这里所说的这几种填料在结构上都是对称的。直到后来 l o c k e t t 根据b i l l i n g h a m 等的研究理念才发明了与塔板中心线相垂直且经过波峰 t 或波谷顶点的线是不对称的规整填料，这些不对称规整填料的发明，克服了对 称规整填料的一些缺点。相比较对称规整填料来说，它能够减小无效的压力损 失，从而降低塔的必要高度。之后随着人们对塔器的更加深入的研究，现在又 出现了复合规整填料、复合塔板等【6 】。虽然说现在填料塔的设计研究方面取得了- 很多的成果，但是，采用合理有效的设计方法设计出结构更合理，效率更高的 填料塔以及塔器件，一直都是填料塔设计的一个重要任务。 相对于板式塔和散堆填料塔来说，规整填料塔在传质性能、单板压降等方 面都表现出很强的优势，尤其在一些低压甚至真空的场合，规整填料的这一优 点就更突出了。另外波纹板规整填料也由于其具有规则的流道，固定的流道决 定了它的流动路径，因此，在很大程度上避免了由于沟流、溪流等液流分布不 均匀的现象。气液分布的均匀性在很大程度上要优于散堆填料塔和板式塔的液 流分布，而且也有利于气液的充分混合。为了进一步优化塔的设计，以及解决 塔设计中的放大效应，对塔设备内的流场分布以及传质机理等进行详细的研究 就显得非常的必要。以往的分析方法都是采用试验的手段或者是利用理论的方 法进行预测塔的传质机理，然而，对于现在应用的许多大型的塔设备，如果采 用实验的方法去预测其传质机理以及流畅的分布机理，由于测量手段和设备的 限制，成本将会很大甚至是几乎不可能了。因此，运用试验或理论的方法在预 测大型塔设备内的流场和传质性能就变得不切实际了，这就要求我们运用另外 的方法去进行研究。而现在随着计算流体力学理论的发展以及计算机的不断发 3 第1 章绪论 展，流场的分析以及传质性能的分析已经完全可以利用计算流体力学软件来实 现了。利用计算流体力学方法可以成功地对稳态、非稳态、多相湍流以及有化 学反应的实际过程进行数值分析与设计【_ 7 引。计算流体力学的方法已开始成为工 程装置优化及放大的一种定量工具，填料塔中气体分布的数值模拟一直以来就 是一个被大多数所关注的研究课题。气体通过塔内件以及气体分布装置后其速 度场以及压力场如何，以及如何来分析这些速度场和压力场等，这些问题的解 决一般都是依靠试验来解决的。但是，由于试验具有一定的局限性，在填料塔 的放大过程中如果利用试验方法来实现放大，这并不能完全去除放大效应的影 响。因此，在现阶段利用计算流体力学软件来分析填料塔中流场分布以及传质 性能还是有很大现实意义的。 1 3 流体分布模型的研究现状 填料塔内的流体流动一般是两相流，气液两相流的流动状态对填料塔的传 质性能有很大的影响，尤其是液相的分布影响最大。近几年，国内外的学者对 填料塔内气液两相的流动分布进行了大量的研究，并建立了很多的数学模型， 这里仅对涉及规整填料分析方面的一些模型做简单的介绍。 1 3 1 扩散模型 在规整填料流场分布研究的早期，大部分人都是套用在散堆填料中经常应 用的扩散模型来分析规整填料塔内的流场分布的。 扩散模型假设流体是随机流动的，但是在规整填料塔中液流通道一般都是 十分规则的，流体流动的随机性就受到很大的限制，因此运用扩散模型来分析 规整填料中的流场分布，就有很大的近似性。 h o k e 8 】等在建立计算模型时，假设液体完全沿规则通道的倾斜方向流下，横 向扩散由填料交叉点处液体的混合形成，从而推导出了将扩散模型应用于规整 填料塔的液体有效分散系数表达式。在何杰【9 】的研究中发现当液体在向下流动 时，由于受到重力的作用，并不是沿着流道倾斜的方向流动，而是沿着一个与 竖直方向夹角最小的方向流动，且这一角度随液相喷淋密度增大而减小。而且 当液体在向下流动过程中，由于在填料通道的交叉点处有部分接触，并且发生 质量交换，这样就使整个填料面上的液体分布趋于均匀。由于液相在规整填料 内并不是完全规则性的，而是既具有规则性又有随机性的流动特点。因此，孙 4 第1 章绪论 敬玺【l o 】提出采用径向扩散模型和离散方法相结合的手段模拟金属板波纹填料塔 内的液相流动分布。 1 3 2 静态混合器模型【l l 】 d a n g i z e r 通过对一种类似于板波纹规整填料结构的s u l z e r s m v 型静态混合 器中的液体分布进行了研究和模拟，通过研究他认为：液体以满流的形式，沿 静态混合器的规则通道流动，在通道交叉处，构成一个混合室，而且，液体只 在混合室中发生混合。当液体每流过一个交叉混合室就发生一次混合，这样就 构成了一个离散模型。他利用正方形排列的矩阵来模拟混合器内横截面形状， 矩阵的每个元素对应填料横截面某一位置的流动，经过一盘填料液体实现了二 维混合，经过两盘填料则实现了三维混合。其模型方程为： 船篙二黜一- 1 z k 囊黜七k 嚣 ， i o ，后) = o f 虮( ，+ 1 ) + 彤( ，一1 ，+ 1 ) r 7 上式中，v x 代表x 方向的液相流量，v y 代表y 方向的液相流量，代表混 合室中的混合系数。 1 3 3 节点网络模型【l l 】 通过对静态混合器模型的分析和改进，在此基础上徐崇嗣又建立了结点网 络模型。模型假设为： ( 1 ) 在每盘填料内，液体在规整填料片之间的夹层内作二维运动。在每一 夹层内，液体以完全充满的形式沿波纹通道流动，只有在交叉点处才 发生混合； ( 2 ) 液相遇壁面后立即发生完全反射，重新流回填料层； ( 3 ) 液体只能在当前流道内流动，不能穿过填料片流向相邻夹层内； ( 4 ) 在两盘填料的交界面上相邻通道的液相会发生横向混合。 该模型的方程为： 卜炉嗵柳嘶哪争扣咕聿删一聃舯班壁 卜工枷( 1 一务盹一z 七一聃譬馗工七一聃( 1 訇笔阮工七一聃玩+ z 七一匆u 一胆 5 第1 章绪论 在上式中，p 为结点处发生混合的分流占总液流的分率( 0 p 1 ) ，i 、j 、k 为 结点坐标，x ( i j ，k ) 和y ( i j k ) 分别为x 方向和y 方向的液相流量。这种模型由 于既反映了规整填料塔内流动的规律性又反映了流动的方向性，与规整填料塔 内实际的流动规律比较符合。因此，许多学者对这种模型进行了改进，提出了 各自的结点液相混合分配方案，见图1 1 。 ：计建炳模型 州，口哆 c ：离瑞袒蘸塑 t “：髯f l r a l g b ；裘俊红旗型 轨张氲彦模型 乳n a w r t m k i 横型 e = a d i n m a 攒囊 图1 1 各种改进型节点网络模型在节点处的分配方案 1 3 4 单元网格模型【1 2 】 单元网格模型是按照一定的规律将填料塔分成许多的小单元，液体在每一 个单元内流动，通过分析每个单元内的液体流动状况来预测整个塔的流场。类 6 蹲霹 第1 章绪论 似的模型也很多，如s t o t e r 等人提出的l d e s p 液相分布模型，在模型中假定液 相与填料可以完全润湿的接触，将填料塔按照一定的流道规则划分为许多与填 料孔道直径相当的小单元来计算。c h u a n g 等也提出类似的模型，在他们的模型 中假设计算单元特征尺寸小于填料的特征尺寸，因而他们认为此模型既能适用 于散堆填料塔又能适用于规整填料塔。以上单元网络模型均需液相分布数据确 定模型参数。 1 3 5 计算流体力学( c f d ) 模型 近几年由于计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) 理论 的迅速发展，使得计算流体力学逐步应用于各个领域。特别是随着计算机软件 和硬件水平的不断提高，在分析填料塔的气液相分布特性以及传质性能时利用 计算流体力学的方法已经变得成为可能。而且，日益涌现的各种商业分析软件 的出现，为用计算流体力学方法分析填料塔中气液两相流的分布提供了有力的 支持。按照物理建模的不同，一般将c f d 模型分为整体平均模型和单元综合模 型两种。 ( 1 ) 整体平均c f d 模型 整体平均模型，顾名思义就是不考虑单个填料的微小结构对宏观流体的作 用，而是将填料的物性进行宏观的平均，填料被看作是有一定空隙的连续介质。 而流体也以连续的特性在填料中流动，至于填料对流体的阻力作用则通过对n s 方程的修正来体现出来，这样就可以从宏观上把握流场的分布，对宏观的流场 特性进行分析。但是，由于计算机硬件水平的限制，以及填料塔体积大、结构 复杂等因素的影响，建立全塔的物理模型基本上是很难实现的。 在利用整体平均模型分析方面，国内的许多学者都建立了不同的分析模型， 也都取得了一定的成果。余国琮f ”】等通过简化n s 方程及连续方程并以此做为 基础，以比较简化的边界条件对填料塔内的气液两相流动进行了模拟。张鹏【1 4 】 采用p h o e n i c s 流体力学软件对规整填料塔内的气、液单相流和气、液两相流 情况进行了c f d 模拟，由于在填料塔中液相的分布并不是连续的介质，因此， 在张鹏的分析过程中借助了多孔介质理论，采用体积平均的方法对规整填料内 的宏观流动分布进行了描述。 其模型方程为： 连续方程： 7 第1 章绪论 v ( p ，占，厅) 一v p ，g ，v s ，) = 埘g f ( 1 4 ) 动量方程： v 馋句施) 一岛黜一v 馋岛v 厅) 一v g v q ) = 名l + 乃+ 厅 ( 1 5 ) 上式中，m 。l 为相间的传质速率，i 为相含率。f 。i 为气相或液相与固体填料 之间的相互作用力，f z i 为气液间相互作用力。为了计算简便，在上述模型中忽 略了固体填料所占的体积率，因此： 占，+ 占暑= 1 ( 1 6 ) 由于这个模型实际上是一个平均意义上的模型，利用体积平均的方法将不 连续的液流平均为连续的液流，因此，具有一定的局限性。 ( 2 ) 单元综合c f d 模型 由于整体平均模型，只能达到一个整体的近似模拟，对微观上的局部的流 动并不能进行精确的模拟。因此，为了研究填料结构特性对流体流动的影响， 就出现了单元综合c f d 模型。这类模型就是通过建立一个或几个填料片的实体 模型，来分析填料片局部的流动状况。但是这个分析需要占用很大的计算机资 源，因此，由于现阶段计算机硬件水平的限制，使得模型的应用受到了限制。 在单元综合模型的应用中，h o s d o n 1 5 】等人利用商用流体力学软件p h o e n i c s 对 m e l l a p a k 3 5 0 y 型规整填料塔内的气相单相流进行了模拟。他们的模拟中将整个 的计算填料分成许多的体积单元，每一个体积单元由两个相邻的填料片组成， 并假设每一个体积单元的出口就是下一个体积单元的入口，其模型单元形状和 网格划分如下图1 2 所示： 图1 2h o s d o n 模型的单元形状和网格划分图1 3 陈强等模型的单元形状和网格划分 陈强【1 6 】等人则在研究塔板提升管上垂直放置的一段规整填料的过程中，建 立了与h o s d o n 模型结构相类的物理模型( 图1 3 ) 。在这个模型中由于假设气液 两相并行流动，并且在被气相带入的液体在进入填料之前就已经被细化为许多 8 第1 章绪论 的微小颗粒，故在利用此模型进行计算时，就将此流道内的流体看作是单相流。 利用了有限差分的方法，计算模拟了填料单元内的流场分布，并通过计算模拟 的结果分析了填料内的流体分布、流动机理。 p e t r e 1 7 1 等则提出了另外一种单元综合模型，他们认为规整填料内的压降主 要是由四种典型的结构( 图1 4 ) 引起的。在我们分析整个塔的流场和压降过程 中，只要对这四种代表性结构中的流场分布及压力损失进行分析模拟，就可以 预测整个填料塔的压力降，而且他们利用这种方法用f l u e n t 软件成功的预测 了多个填料塔的整塔压降。 i 警 鞠嘲l1 9 一 _ 群耱- 孵嘲幡糍獬呼 图1 4p e t r e 模型的四种局部结构 图1 5k a t a p a k - s 规整填料的物理模型及单元网格划分示意图 除了以上的几种模型之外，g u l i j k t l 8 】采用c f x 4 1 流体力学软件建立了含有 2 6 个孔道的规整填料模型，并模拟了液相示踪剂的扩散过程，通过模拟结果讨 论了规整填料内的反混现象。在此之后，k r i s h n a 1 9 】等人又建立了针对k a t p a k s 型反应精馏规整填料的8 孔道c f d 模型( 图1 5 ) 。为了便于进行计算，在这里 假设气、液两相分别沿不同的装填有催化剂的流道流动，其中气相只从没有填 装催化剂的通道流动，而液相只从填装有催化剂的流道内流动。这样就将两相 流问题转化为了单相流问题进行处理，在每一个流道内流体的流动都可以看作 9 第1 章绪论 是单相流。根据这一模型，k r i s h n a 模拟了气液两相的扩散过程，并且估算了反 混系数，模型的基本方程如下： 竺掣i - v g ，p ，厅，) ：o ( 1 7 ) 研 皇掣+ v 留，p ，露，厅，一，占，露，+ 厅，y = 占，b 一占，v 尸 ( 1 8 ) 研 模型中含有催化剂的孔道视为多孔介质，形体阻力b 由e r g t m 方程计算： b ：l1 5 0 粤坠驻+ 坚掣矿i v ( 1 9 ) - d ： s ；d e c ： l 计算流体力学模拟计算规整填料塔内的流场分布，都还处于一种初始的起 步阶段。无论是整体模型还是单元模型，大多数都是经过相当大的简化之后的 一种简化处理方法，在建模和模拟过程中进行了简化假设，从模拟方法来说就 带有近似的假设。因此，得到的结果一般来说大部分情况下也只能是作为参考。 但是，随着近几年计算流体力学理论的不断完善，计算机硬件的不断升级，计 算流体力学在各方面的应用也越来越广泛。因此，如何建立与实际填料结构相 近的实物模型、如何采用合理的传质、传热理论来精确的分析规整填料内的流 场分布和传质性能，使得计算流体力学模拟成为一种主要的填料塔模拟优化的 方法，将是以后填料塔分析发展的一个主要研究方向。 1 4 填料表面液膜流动研究的现状 以上的各种研究方法和理论，都可以说是一种宏观的研究方法，针对的是 整个填料塔或者填料塔中的一部分来说的。相比较而言对于在填料表面上流体 是如何流动、如何分布、液层的厚度等微观方面的研究相对来说较少。如果仅 仅考虑填料片上也液流的具体流动形态，从微观方面去考察的话，通常液相在 规整填料上的流动，都可以看作是在倾斜平板或者是有一定角度波纹板上的液 膜流动或溪流流动。因此，在微观分析时填料表面的材料特性、液相的物理性 质以及表面张力等因素对气液两相之间的传热传质性能都会有很大的影响。而 且这也在很大程度上也决定了分离设备的操作性能，所以在分析填料塔流场时 对微观流场的流动分析就变得很必要。通过分析填料片上的液相流动形态和流 场分布状况，可以很容易的对填料机构进行分析和优化。 1 0 第1 章绪论 1 4 1 液膜流动的理论研究 n u s s e l t l 2 0 j 的降膜理论是比较早的有关液膜流动的理论研究，在该理论中做 了一定的假设：液膜表面平滑，无任何波纹，忽略气液界面剪应力。之后，许 多学者也都分别利用线性和非线性的方法对影响液膜分布的诸多因素进行了分 析。通过这些分析发现，液膜的稳定性和雷诺数有很大的关系，本来平滑的液 膜当液体雷诺数增大到某一临界值后将会发生液膜波动，从而失去原有的稳态 界面。 在此之后d u k l e r 2 l 】等对液膜界面的形状、内部的流动状况以及液膜界面的 变化规律等都进行了比较多的研究。他们通过实验研究发现，液膜的流动有一 个临界的雷诺数值，在这个临界雷诺数以下时液膜的流动是平稳的光滑的，当 雷诺数高于这个临界数时，液膜的表面就会开始出现波动。而且这种波动是对 称的正弦波，当雷诺数进一步增大时这种对称的波动就会变得不对称了，一般襄 称之为滚动波。这种波的传播没有规律，并且相互作用，很大程度上决定着液 膜的传质效率。当雷诺数继续增大时，以至于这些波动出现紊乱，液膜层遭受 很大扰动，以至于液膜由层流转变成为湍流。 以液膜波动力学为基础研究液膜传递特征一直是研究热点【2 2 1 。最初研究层 流传递过程时，都假定液层是平滑的无波动的，从而忽略了液膜的波动对传递 过程的影响，但是，后来人们通过研究发现，液膜的波动对于传递性能的有增 强的作用，然而这些研究基本上都是基于单相流状况下的结论，对于实际化工 过程中大部分都为两相流的实际情况来说却并不是很实用。自从发现液膜的波 动对传递效果的增强作用后，人们开始通过对填料表面的形状进行优化，以便 使得液体流过时能形成波动的液膜，从而增强传递效果。许多学者在波纹板的 液膜流动和平板的液膜流动方面都做了很多研究，其中c e r r o 等【2 3 】以表面带有波 纹的规整填料作为研究对象，采用扰动理论对各种不同波纹板的宏观和微观的 液膜流动过程进行了大量的实验和理论研究，的出了很多结论，但是该研究所 得出的液膜流动形态与实际填料上的液膜流动仍有一定差距。在此之后，谷芳【1 1 】 又采用v o f 法对单个平板和波纹板填料表面的液相流动进行了三维的模拟。虽 然没有考虑气液相的相互作用，但是通过模拟发现液相在规整填料上的流动主 要为溪流，而且液膜的流动与雷诺数有很大的关系，当雷诺数增大时，液膜的 表面将发生波动，当达到一定值时会出现液泛现象。 第1 章绪论 1 4 2 液膜流动的数值模拟方法 由于液流在填料片上的流动，形成的液膜其边界很不确定，因此如何追踪 自由边界面、如何将自由边界面进行离散以及如何确定边界条件等，都成为液 膜流动数值模拟的难点了。基于此人们提出了几种处理边界条件的方法：标记 粒子法、液膜厚度方程法、v o f 法等。 ( 1 ) 标记粒子法( m a r k e rp a r t i c l e s ) 这种方法是利用确定流体占据的空间位置来确定自由表面的位置的方法来 确定边界面的位置的和形状的，他假设在流体所占据的流动空间里充满着被标 记的粒子，每个粒子都随流体流动，这样只要确定了这种标记粒子所占据的空 间位置和形状就可以确定流体边界面的形状了。通过确定有标记粒子和无标记 粒子之间的界面也就确定了边界面。由于假定整个流动空间都充满了标记粒子， 而且要记录每个标记粒子的运动，因此这种方法将会占用很大的存储空间。但 是，另一方面按照这样的推理，我们如果有足够大的存储空间，那我们完全可 以用这种方法来模拟三维的流动问题。 ( 2 ) 液膜厚度方程法 确定自由边界最简便的方法是，如果我们能给出从自由边界到某条参考线 的距离随参考线位置变化的函数，那我们就可以据此确定出自由边界面了。由 于这种方法是一种一维的记录方法，因此相对来说简单，而且占用的存储空间 又不会太大，且易实现数值求解。因此这种方法受到许多学者的重视，都用这 种方法来描述液膜流动时的界面波动。但是这种方法一般只适合于求解一些单 面值的问题，而对于多面值的问题，这种方法根本就不可行，因此在很大程度 上限制了液膜厚度方法的应用。 ( 3 ) 线段法( l i n es e g m e n t s ) 虽然液膜厚度法比较简单，但是其存储量大而且只能用于单值面问题的解 决，具有很大的局限性1 1 4 1 。因此，就出现了线段法，它是利用线段或者其连接 点的序列来表示液膜的表面，这样就克服了液膜厚度方程法中只能解决单值面 问题的限制。线段法在一定意义上说有点类似于拉格朗日的网格线法，在这种 方法中线段的序列比较容易获得，而线段法中相比较拉格朗日网格法则更具灵 活性并且在线段增减时，也不会出现逻辑上的问题。但是由于在模拟两个交叉 面或重叠面时，如何预测两个面的交叉以及确定线段如何重新排列就变得十分 困难了。因此，将线段法应用到三维分析上就不是一件容易实现的事情了，这 1 2 第1 章绪论 也是线段法一个很大的缺点。 ( 4 ) v o f 法( v o l u m eo ff l u i d ) 2 4 所谓v o f 模型，是一种在固定的欧拉网格下的表面跟踪方法。采用这种模 型，可以用来分析计算需要得到一种或多种互不相融流体间的交界面时的流场。 在v o f 模型中，不同的流体组分共用着一套动量方程，计算时在每个计算单元 内，都记录下各流体组分所占有的体积率，这个体积率一般是一个在0 1 之间 的数，计算单元内所有相的体积率之和为1 。不同的体积分率代表了不同的计算 单元内的属性，确定了每一个位置的体积率也就确定了每一相在计算单元的分 布情况。当体积率为零时说明在这个体积单元内不包含此流体，当体积率为1 时说明在体积单元内充满了这种流体，当体积率为0 和1 之间的一个数时说明 在这个单元内存在自由边界表面。这样不但减少了存储空间，而且也克服了像 线段法那样很难在三维流体分析中应用、液膜厚度法只能在单值面问题中应用 等这样的缺点。因此v o f 模型被广泛用于分析分层流，自