（化学工程专业论文）高schmidt数下喷射反应器内湍流混合反应过程的多尺度模拟.pdf

青岛科技大学硕士学位论文 高s c h m id t 数下喷射反应器内湍流混合反应过程 的多尺度模拟 摘要 喷射反应器是一种新型的反应器，可以提高混合强度、改善浓度及温度分布 均匀、加快反应进程、抑制副反应的发生和提高反应选择性，在石油、化工、环 保、医药等行业的实际生产中有着广泛的应用。由于喷射反应器内湍流多尺度混 合一反应过程的复杂性，目前对喷射反应器内多尺度混合一反应过程和放大规律研 究的很少。准确、全面地了解影响喷射反应器混合效果及混合一反应性能的主要 因素，有助于喷射反应器放大规律的建立，为其优化设计和工程放大提供良好的 依据。 本文首先利用p l i f 实验数据对c f d 模拟中常用的三种湍流模型进行了验 证，结果表明标准七一占湍流模型和可实现七一占湍流模型均可较好的反映喷射反 应器内的真实宏观混合过程。 在此基础上，利用流体力学模拟软件f l u e n t 6 2 对喷射反应器内的湍流多尺 度混合情况进行了研究，建立了评价喷射反应器混合效果的指标，采用宏观混合 分数方差与微观混合分数方差分别代表宏观混合和微观混合情况，考察了不同操 作条件对喷射反应器混合效果的影响。结果表明：1 ) 在引射流体速度不变的条 件下，喷嘴速度越大，喷射反应器的混合效果越好：2 ) 在喷嘴速度不变的条件 下，引射流体速度越大，喷射反应器的混合效果越差；3 ) 在喷嘴速度与引射流 体速度之比一定的条件下，喷嘴速度与引射流体速度越大，喷射反应器的混合效 果越好；4 ) 在本文所选的操作条件下，微观混合过程为喷射反应器内物料间混 合过程的控制步骤。 在对喷射反应器内湍流混合过程研究的基础上，选用典型的平行一竞争反应 作为反应体系进一步考察了喷射反应器内的湍流反应情况。利用两环境 d q m o m i e m 模型，通过平行一竞争反应体系中的慢反应的转化率衡量了操作条 件对喷射反应器内湍流混合一反应过程的影响。结果显示：1 ) 该混合一反应模型 可以正确的对喷射反应器内湍流混合与反应之间的相互关系进行模拟，可以直观 高s c h m i d t 数下喷射反应器内湍流混合反应过程的多尺度模拟 的给出喷射反应器内不同位置处混合一反应的详细信息，为反应器的优化设计提 供理论依据；2 ) 在引射流体速度保持不变的条件下；喷射反应器喷嘴速度越大， 喷射反应器的混合效果越好，平行一竞争反应的选择性越高；3 ) 在保持喷嘴速度 不变的条件下，喷射反应器引射流体速度越大，喷射反应器的混合效果越差，平 行一竞争反应的选择性越低；4 ) 随着喷嘴速度与引射流体速度比的增加，平行一 竞争反应的选择性越来越好，说明二者速度比越大，喷射反应器的混合效果越好； 在速度比一定的情况下，速度越大，喷射反应器的混合效果越好，平行一竞争反 应的选择性越好。5 ) 在喷嘴速度一定的情况下，慢反应的转化率与d a 数成线性 关系，且直线的斜率与喷嘴速度相关；6 ) 喷射反应器内的湍流反应过程受湍流 混合过程与化学反应动力学因素双重控制。在实际生产中应综合考虑能量消耗和 化学反应的选择性两方面因素来确定操作条件。 关键词：喷射反应器微观混合宏观混合湍流反应多尺度性 计算流体力学( c f d ) i i 青岛科技大学硕士学位论文 m u l ti s c a l esim u l a t10 na n ds t u d y 0 nt u r b u l e n tr e a c tin gf l o w sin e j e c t o ro nhig hs c h mid tn u m b e r a b s t r a c t e j e c t o ri sac o n v e r s i o nu i l i t 诚t l l1 1 i g h - i n t e n s i 够m i x i n gp e r f b m a r l c e a sat ) ，p eo f f e a c t o r i t c 趾s t r e n 酉h e nm i x i n gp r o c e s s ， r c d u c e c o n c e n 臼斌i o n 铲a d i e ma n d t e m p e r a 劬r e 铲a d i e 咄a c c e l e r a t er e a c t i o np r o g r e s s ，r e s t r a i ns i d er e a c t i o na i l di i i l p r o v e s e l e c t i v i 吼d u et 0t h e s em e r i t s ，i ti se m p l o y e di nm o s tf i e l d so fi i l d u s 缸ys u c h 嬲 p e t r o c h e m i c a l ，c h e m i c a l ，e n v i r o i l i i l e 删p r o t e c t i o n 锄dm e d i c a l f o rt l l ec o m p l e x i t yo f m u l t i s c a l et u 】r b u l e m r e a c t i n gf l o w si n 句e c t o r ，r e s e a r c h e so nt t l et h e o 巧o fi ta n d s c a l e u pi a w sa r er a r ca tp r e s e n t ag o o du n d e r s t a n d i n go fm em a i nf a c t o r s 缸r e c t i n g m em i x i i 玛p e r f 0 姗a n c e 觚dt u r b u l e mr e a c t i n gf l o 、sc l l a r a c t e r i s t i c sc a nh e l pt om a s t e r 廿l es c a l e - u pl a w so f 句e c t o f s a n d ，i tc a l lp r o v i d er e f e r e n c e sf o rt 1 1 eo p t i m i z a t i o n 趾d s c a l e u po f 句e c t o r s f i r s t l y ，t h r e ek i n d so f 七一占t u r b u l e mm o d e l su s e di i ln 啪e r i c a ls i m u l a t i o na r e v e r i f i e db yp 1 锄a rl a s e ri n d u c e df l u o r e s c e n c e ( p l i f ) t e c l 血q u e t h er e s u l t sr e v e a lt h a t b o t l ls t a n d a r d 七一占t u r b u l e n tl n o d e la n dr e a l iz a _ b l e 七一st i l r b u l e n tm o d e lc a l lg i v e t h er e a li n f o 肌a t i o no nm a c r 0 - l i l i x i n gp r o c e s si n 句e c t o r s e c o n d l y ，j e tr e a c t o ri ss i m u la t | 耐谢t hi 沁a l i z a b l e 七一占t u r b u l e n tm o d e li i lt h i s p a p e rw i t l lt h eh e l po fc o m p u t a t i o i l a ln u i dd y n a m i c s ( c f d ) s o f t w a r ef l u e n t 6 2t o s t u d yi t sm i x i n gc h 龇a c t e r i s t i c s m a c r 0 一m i x t u r ef a c t i o nv 撕a n c ea r l dm i c r 0 - m i x t u r e f h c t i o nv a r i a i 】l c e a r eu s e dt 0m e a s u r et h e m a c r o - m i x i l 培p e 墒肌a i l c e a n d m i c r 0 - m i x i n gp e o m a n c ei i lj e tr e a c t o r a tt l l es a i 】n et i m e ，t l l e 面t e r i o nj u d g i n gt h e m i x i n gp e r f o m 弛c ei s b u i l tt o 觚a l y z em ed 印e n d e n c eo fm i x i n gp e d o 姗a 1 1 c eo n o p e r a t i n gc o n d i t i o n s t 量l er e s u l t ss h o w ：1 ) f o raf i x e de n t 】庙n e df l o wv e l o c i 饥t l l e l 鹕e rt h en o z z l ev e l o c 毋i s ，m eb e 批rt l l em i c r o - m i x i n gp e 墒肌锄c e 锄dt l l e m a c r o m i x i n gp e r f o n i 啪c ei s ； 2 ) f o raf i x e dn o z z l ev e l o c i 劬t l l e1 a 略e rt h ee 砷阻i n e d i l i f l o wv e l o c i 够i s ，m ew o r s et h em i c r 0 - m i x i i 坞p e r f o m a n c ea r l dt h em a c r o m i x i n g p e r f o m a 苴l c ei s ；3 ) f 0 raf i x e dr a t i oo fn o z z l ev e l o c i 够a i l de n t r a i n e dn o wv e l o c i 吼 t l l el a r g e rm ev e l o c i t i e sa r e ，m eb e 舵rt ：h em i c r 0 - m i x i n gp e 响m l a n c ea i l dm e m a c r o m i x i r 培p e r f o 肌a n c ei s ；4 ) f o rt h ec a s e si nt h i sp a p e r ，m i c r 0 - m i x i n gi s 也e c o n 仃o ls t e po ft h ew l l 0 1 em i x i n gp r o c e s s f i n a l l y b a s e do ns t u d i e so nm i x i n gc l l a r a c t e r i s t i c so fj e t r e a c t o r ， a p a r a l l e l c o m p e t i t i v er e a c t i o ni se m p l o y e d t om e a s e 龇n 曲u l e n tr e a c t i n gn o w si nj e t r e a c t o r d o m o m i e mm o d e l i su s e dt 0d e s c r i b et l l et u r b u l e n tr e a c t i n gn o 、si i lj e t r e a c t o r 锄dt l l em o d e l i ss o l v e db yf l u e n t 6 2 t h ei n f o m a t i o no nt i l 】m u l e n tr e a c t i n g n o 、椭i ni e tr e a c t o ri so b t a i n e d c o n v e r s i o n ( x ) o fs l o wr e a c t i o ni su s e da sac r i t e r i o n t 0 锄l y z em ed e p e n d e n c eo f 耐b u l e n tm i x i n g - r e a c t i n gc t e r i s t i c so no p e r a t i n g c o n d i t i o i l s t h er e s u l t ss h o w ：1 ) t h ed q m o m - i e mm o d e l c a i lp r 0 v i d ee x a c t i n f o m l a t i o no nt u r b u l e n tr e a c t i n gp r o c e s si i lj e tr e a c t o r ； 2 ) f o raf i x e de n t r a i n e dn o w v e l o c i 劬t l l el a 培e rt l l en o z z l ev e l o c i 够i s ，t h e 址曲e rs e l e c t i v i t ) ，i s 锄dt l l eb e t t e r m i x i n gp e 而瑚a i l c ei s ；3 ) f o raf i x e dn o z z l ev e l o c 畋m el a r g e rm ee n t r a i n e df l o w v e l o c 时i s ，t h e1 0 w e rs e l e c t i v 毋i s 锄dt h ew o r s em x i n gp e r f o m 肌c ei s ；4 ) t h el a r g e r t h er a t i oo fn o z z l ea r l de m m i n e dn o wv e l o c i 够i s ，t h et l i g h e rs e l e c t i v i 够i sa n dt h eb e t t e r m i x i n gp e 墒n n 锄c ei s ；f o raf i x e dr a t i o o fn o z z l ev e l o c 时a n de n t r a i n e df l o w v e l o c i 母，仕i el a r g e rt l l en o z z l e 锄de n t l 面n e df l o wv e l o c i t i e sa r e ，t h eh i 曲e r l e c t i v i t ) ri s 觚d 舭b e 他rm i x i n gp e 墒肌a n c ei s ； 5 ) f o raf i x e dn o z z l ev e l o c 毋，m e r eh 嬲a l i n e a rr e l a t i o nb e t w e e nxa n dd 锄k o l e rn u m b e ra n dt h es l o p ei sd e t e l m i n e db ym e n o z z l ev e l o c 畸； 6 ) t u r b u l e n tr e a c t i n gn o w i nj e tr e a c t o ri sc o n 呐l l e db yb o t hm i x i n g p r o c e s sa n dr e a c t i n gp r o c e s s t h ee n e 玛yc o n s 响p t i o na 1 1 dt h es e l e c t i v 时s ：h o u l db e s i r n u l t 锄e o u s l y c o n s i d e r e dt od e t e n l l i n e廿1 eo p e r a t i n gc o n d i t i o i l s i np r a c t i c a l p r o d u c t i o n k e yw o r d s ：j e tr e a c t o r ，m i c r 0 - m i x i n g ，m a c r o m i x i n g ，t u r b u l e n tr e a c t i n gf l o w ， n “t i s c a l e ，c o m p l l t a t i o n a ln u i dd y n 锄i c s ( c f d ) 青岛科技大学硕士学位论文 l - j 一 刖舌 化学工业是高污染、高能耗的基础产业。在实际生产中，化学过程常常伴 随着副反应的发生和副产物的生成，这不仅降低了目标产物的收率，浪费了后 续分离工段的能量，而且还会引起环保和安全等方面的问题，所以增强反应的 竞争性，抑制副反应的发生一直是化学反应工程的重点。反应器是化工生产中 的核心装置，反应器的设计与优化影响着整个化工生产过程。喷射反应器是一 种具有高强度混合效果的反应器，可用于单相和多相物料之间的反应。其工作 原理是利用主动流体的高速流动去卷吸另一股流体，使两股物料密切接触、充 分混合后发生反应，具有混合强度高、改善浓度及温度分布、加快反应进程、抑 制副反应和改善反应选择性等优点，被广泛应用于各个行业的实际生产中。 与喷射反应器在工业上的广泛应用相比，其理论研究却很不充分l l j 。到目 前为止，对于喷射反应器的研究大多集中在通过实验对喷射反应器的喷射系数 和物料间传质系数的回归上。少量文献也涉及喷射反应器的混合效果对反应影 响的研究，但由于不同的研究者选择的物系和喷射反应器结构尺寸不同，导致 所获得的结果相差很大；另外，这些研究都是通过测定喷射反应器进出口处的 组分浓度来对喷射反应器进行分析，并没有获得喷射反应器内部详细的流场和 浓度信息，所以这种方法只能用来从宏观上评价喷射反应器的性能，而不能直 接用来优化设计新的喷射反应器。近年来，随着对反应器设计要求的不断提高， 获得反应器内部流场的详细信息成为必要，新型的激光流体实验技术和计算流 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 ，c f d ) 技术被应用到反应器的设计中。 l u 0 等利用激光诱导( p l a l l a rl a s e ri n d u c e df l u o r e s c 饥c e ，p l i f ) 技术对薄层撞击流 喷射器【2 ；3 1 、吐l i m i 等利用c f d 对半间歇喷射反应器分别进行了研究【4 】，这些 研究相比以前的技术有了很大进步，获得了喷射反应器内部较为详细的流场信 息，对喷射反应器的优化设计具有一定的帮助。然而，上述研究也只是对喷射 反应器的混合效果进行了分析，同时考虑到湍流混合一反应的复杂性，这些研究 还只是对宏观混合进行了研究，而没有考虑直接影响反应过程的微观混合。没 有考虑混合与化学反应的相互作用。 本文利用大型流体力学模拟软件f l u e n t 对高s c h i l l i d t 数下喷射器内湍流 混合一反应过程进行了数值模拟，研究了喷射反应器内的宏观混合、微观混合 情况及混合一反应过程中混合对反应的影响情况，同时考察了不同操作条件对 高s c h m i d t 数下喷射反应器内湍流混合反应过程的多尺度模拟 喷射反应器的微观混合效果、宏观混合效果及混合一反应性能的影响，为高 s c h m i d t 数下喷射反应器优化设计和放大模型的建立奠定了理论基础。 2 高s c h m i d t 数下喷射反应器内湍流混合反应过程的多尺度模拟 符号说明 p 流体密度，k g i n - 3 ； u 流体速度矢量； ”，1 ，w 流体速度在直角坐标系中各方向的分量，m s ： r 时间，s ： 刁流体的动力粘度，蚝m s ； p 压力，p a ； ，s ，& 3 个动量方程的广义源项； 办静态焓值，j m o l ； 丁温度，k ； 五流体的导热系数，j ( c m s 目： 称为耗散函数； 墨流体的内热源； 矽通用变量； l 广义扩散系数； r 分子扩散系数； r r 湍流扩散系数； 瓯广义源项； d i v 向量函数的散度函数； 矿耐向量函数的梯度函数； 等压热容，j m o l k 1 ： 玩，巧f ，歹方向上的时均速度分量，m s 1 ； 薯，x ，f ，j 方向上的位移分量，m ； 彬，嘭f ，方向上的脉动速度分量，m s ； 4 青岛科技大学硕士学位论文 通用状态参数； 万通用参数时均量； 只脉动速度所造成的压力，p a ； 仍湍流粘性系数； 七单位质量的湍动动能，i n 2 s 五： f 单位质量流体脉动动能的耗散率，m 2 s 。： q ，c 2 ，巳经验系数； 吒，吒后，s 的湍流普朗特数； s ( 口) 化学反应源项； 繇湍流施密特数； 五b a t c h e l o r 空间尺度； 仇k o l m o g o r 0 v 空间尺度； f 混合分数； y 一化学反应进度； 7 微观混合率，s 1 乙特征混合时间，m s ； _ 特征反应时间，m s ； 珞微观混合时间，m s ； ，宏观混合时间，m s ； 后反应速率常数，m 3 k n l o l s 1 ： m 流体流量，k g l l r ； u j 喷嘴速度，i i l s ； 5 高s c h m i d t 数下喷射反应器内湍流混合反应过程的多尺度模拟 虮引射流体速度，i i l s ； r e ，局部雷诺数； d l 进料口1 直径，m m ； d 2 进料口2 直径，衄n ； 出口直径，i 砌； 或喷嘴直径，n 埘； d 卅混合段直径，l 姗； k 混合段长度，彻； ) 口二d a m k o b l e r 数： 6 高s c h m i d t 数下喷射反应器内湍流混合反应过程的多尺度模拟 独创声明 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。据我所知，除了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，也不包含未获得( 注! 翅遗查墓丝霞塞挂 别直明数：奎拦互窒2 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。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谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：年月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校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，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 导师签字： 签字日期：年月日签字日期：年月 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编 青岛科技大学硕七学位论文 1 1 喷射反应器简介 第一章文献综述 鉴于喷射器良好的流动及混合特性，将其用作反应器，有利于强化传质，改 善内部温度和浓度分布，加快反应进程，抑制副反应，提高反应的选择性，并且 喷射反应器不消耗机械能，正在越来越广的应用领域代替机械搅拌反应器成为工 程师们首选的反应设备。喷射反应器在气液、气液固等多相反应领域占有很重 要的地位，正在吸引越来越多的科研人员对其进行深入研究。 1 1 1 喷射器的工作原理 喷射器的主要部件有：工作喷嘴( a ) 、接受室( b ) 、混合室( c ) 和扩散室( d ) 5 1 ， 结构简图见图1 1 ： 图1 1 喷射器简图 a 一工作喷嘴b 一接受室c 一混合室d 一扩散室 f i gl - 1s c h e m a t i cd r a 、v i n go f e j e d i o r 高压工作流体( p r i m a 巧f l u i d ，m o t i v ef l u i d ，亦称作主动流体、驱动流体) 从喷嘴高速射出，在喷嘴出口处由于射流边界层的紊动扩散作用，与被卷吸和携 带的低压流体( s e c o n d a 巧f l u i d ，e r l t r a i n e df l u i d ，也称为引射流体、次流体、被 吸流体) 进到混合室后混合，进行速度与能量的均衡、质量的交换。随后，混合 流体进入扩散室，速度不断减慢，动能不断地转化为压力能，出口处混合流体的 高s c h m i d t 数下喷射反应器内湍流混合反应过程的多尺度模拟 压力高于进入接受室时引射流体的压力。喷射器的整个工作过程大致可分为三个 阶段：a ) 工作流体形成高速射流阶段，压力能转化为动能；b ) 两流股混合阶段， 进行质量、动量及能量交换；c ) 压缩阶段，动能转化为压力能，混合流体增压 并被排出喷射器。 1 1 2 喷射反应器的原理及优点 ( 1 ) 喷射反应器的操作原理 当具有一定压力的反应液经喷嘴喷射出时，产生很高的流速，在喷嘴处形成 稳定的湍流且在喷嘴周围形成压力降，将原料吸入室内，然后在混合室内充分混 合，同时进行反应。产物在扩散室内流速逐渐降低，利用增加的静压力将产物送 出。 ( 2 ) 喷射反应器的优点 喷射反应器作为一类新型反应器，有很多独有的优点【6 】： 多相传质性能好； 传热能效大； 密封性能好，便于高压反应； 单位体积输入功率大； 工作体积大，操作弹性好； 反应器结构简单，无运动部件，节约能耗且便于反应过程的连续化； 传质速率和混合效果对反应器规模依赖程度小，便于工程放大； 操作简单，维护方便，维修费用低； 用途广泛。 1 1 3 喷射反应器的工业应用 喷射反应器前期多应用于输送、除尘、抽真空、直接加热、传质和制冷【7 1 等 化工单元操作中，而真正作为强化多相反应的反应器则起步较晚。但这些年不少 科研工作者致力于扩大喷射反应器在工业上的应用上，取得了很大的进展。 ( 1 ) 化工领域 主要用于催化加氢、磺化硫酸化、氧化、次氯化氯化等反应中，还应用于 喷射吸收制超细碳酸钙、生产碳酸钠、纯碱吸收n o 和n 0 2 制亚硝酸盐和硝酸 盐等生产中。 ( 2 ) 石油化工领域 2 青岛科技大学硕士学位论文 主要用于氯乙醇的生产、重油的催化裂化、联氨的氧化、聚氧乙烯型非离子 表面活性剂的生产、环氧乙烷氧化等。 ( 3 ) 环境保护领域 在环保领域，喷射反应器应用在废气、废水、污水处理方面。在废气处理中 主要体现在用氢氧化钠溶液吸收氧氯化反应放出的c 1 2 和h c l ，吸收工业废气中 的s 0 2 ，用喷射反应装置对半水煤气脱硫工艺进行改造【8 】等。一些工厂利用喷射 生化反应技术处理生产中的废水，如富含硫酸盐高浓度的有机废水、造纸废水、 石化废水、生物降解甲基紫染料废水【9 】、啤酒废水【7 1 等。有些城市也采用喷射技 术来处理城市污水。 ( 4 ) 生物工程领域 由于生化反应多是放热反应，且体系温度低，冷却温度小，故要求反应器有 较高的传热系数和较大的传热面积，以使培养液混合良好，避免局部浓度过高或 过低；对于需氧反应，还要有较大的供氧能力，喷射式反应器可以达到要求。主 要用于青霉素的生产、红霉素发酵、苏云金杆菌的制备、假丝酵母和鞭毛孢子的 发酵【l o l 等。 1 2 高s c h m id t 数下湍流反应过程的复杂| 生 由喷射反应器的工作原理知，喷射反应器主要是利用喷嘴将物料高速喷出， 在混合段形成湍流，在湍流的作用下实现物料间的均匀混合，进而发生化学反应 的一个过程。其工作过程实质为湍流混合反应过程。众所周知，湍流是一种复杂 的流动，湍流混合过程是一个多尺度的过程。物料间只有达到分子尺度的均匀混 合，化学反应才能发生，湍流反应过程中湍流混合与化学反应耦合，相互作用相 互影响，过程相当复杂。 1 2 1 湍流多尺度混合 一、湍流混合过程【1 1 】 湍流混合在许多工程领域都有着重要的应用。其机理涉及多个尺度上的物质 输运过程：大尺度上的流体对流、中等尺度上的湍流扩散、小尺度上的微团变形 与分子扩散。工程上通常将大尺度上的过程考虑为宏观混合( m a c r o m 撕n g ) ，将 中等尺度上的湍流扩散考虑为介观混合( m e s 0 m i x i n 曲，而将小尺度( 约l o opm 以下) 的均匀化过程考虑为微观混合( m i c r 0 m i x i n g ) 。现分别介绍如下： ( 1 ) 宏观混合 在混合的初期，液体内部由于湍流作用存在较大的漩涡。随着混合过程的迸 高s c h m i d t 数下喷射反应器内湍流混合反应过程的多尺度模拟 行，较大的漩涡在湍流拉伸、剪切作用下，通过互换位置进行物质与能量的传递， 同时能量从大漩涡传递到小漩涡。从大于漩涡尺寸的观察尺度来看，达到了宏观 浓度的均匀性。而在比漩涡尺寸更小的尺度上，并没有发生明显的混合。宏观混 合的空间尺度由反应器的几何结构决定，对于喷射反应器来说一般认为是喷嘴直 径的大小。 ( 2 ) 介观混合 介观混合，即小漩涡在湍流拉伸、剪切的进一步作用下，涡进一步变形、分 割成更小的微团，直到更小尺度k o l m o g o r o v 尺度的微团。但是，这些混合 k o l m o g o r o v 尺度微团的内部，在分子水平上仍保持着高度分离。在此尺度上， 小漩涡主要通过漩涡的破碎分割( 如图a ) 和涡流扩散( 如图b ) 两种途径变成 k o l m o g o r o v 尺度的微团。通过这两种作用，混合物的不均匀程度降低到涡流本 身的大小。 o 一翡 l 毒敏。蕊酸跨；j - 鞠 国 蕊满如勺缡；巍誊f 黢 图卜2 介观混合过程 f i g1 2m e s o - m i x i n gp r o 辩s s ( 3 ) 微观混合 物料在分子尺度上的均匀化过程即微观混合过程，即通过破碎和变形使未混 合的液体微元尺度进一步减小，再由分子扩散达到最后混合。当涡流微团的尺寸 足够小时( 直到涡旋的尺度小于k o l m o g o r o v 尺度) ，分子扩散在很短的距离内 起作用，结果使混合物达到分子规模的随机分布。此时，混合物在分子水平上达 到了高度的均一性。 二、湍流多尺度混合过程的c f d 分析 在c f d 模拟过程中，湍流模型会提供局部的湍动能七和湍流耗散率8 的数据， 4 青岛科技大学硕士学位论文 人们用这些数据和动力粘度d 定义了湍流的时间和空间尺度( 见表1 1 ) 【1 2 1 。在 表1 1 中同时给出了局部的雷诺数尺p ，后文会看到，局部雷诺数对模型的建立具 有重要的影响。 表1 1 湍流反应尺度类型和对应雷诺数 1 a b l el - 11 卯e so f t u r b u l e n tr e a c t i o ns c a l e s 锄dc o r r e s p o n d i n gr e y n o l d sn u m b e r s 类别积分尺度 k o l m o g o 玎0 v 尺度 空间 l 。= 俨| 仇= ( u 3 纠班 时间 z 。= k = ( 咖) v 2 雷诺数 r e t = 舻| s ur e 野= 1 湍流的积分尺度对应于湍流混合中的宏观尺度，其表征了带有最大和最多能 量的大涡的尺度。在c f d 模拟中，网格的大小应该与积分长度( 空间) 尺度厶 比例对应。同样，大涡的寿命时间与积分时间尺度r 却比例对应。k o l m o g o r o v 尺 度对应于湍流混合中的介观尺度，其表征了利用大涡模拟和雷诺平均方法不能求 解的流场最小尺度，只有直接数值模拟可以求解此尺度的流场。两种尺度下空间 和时间比例的关系如下： 生：r e ，班和玉：r e ，l 2 ，7 可见，随着局部湍流雷诺数r p ，的增加，积分尺度和k d l m o g o r o v 尺度间的差 距增大。通常来说，局部雷诺数r e ，与流场的宏观雷诺数是对应的，即宏观雷诺 数越大，则局部雷诺数也相应的增大，从而积分尺度与k o l m o g o r o v 尺度之间的 差距也越大。 一般地，对于固定结构的流场，积分尺度大致是一个常数( 如湍流射流的积 分长度尺度与喷嘴直径对应) 。同样，积分尺度的流场速度厶气与流体的宏观流 速对应( 喷嘴速度) 。所以，随着雷诺数的增加( 湍流混合强化) ，刁，r “和b 都随之减小。所以在c f d 模拟中，网格尺度大致不变，但时间步长应该相应减小。 为了估算经过网格过滤后的湍动能损失，p o p e 【1 3 l 引入了规格化能谱模型： 色( 心) = c r 一影3 z ( 彭) ( 茁) f 1 2 、 其中丘是无量纲波数( 长度的倒数) ，k o l m o g o r o v 常数c = 1 6 1 【1 4 】，另外两 个函数表示： 5 高s c h m i d t 数下喷射反应器内湍流混合反应过程的多尺度模拟 倦，暑( 卉厂 ( r ) = e x p 一耻，3 + 0 l 4 - 岛) ( 1 - 3 ) ( 1 - 4 ) 其中p 咸，= 5 2 。参数c ，和通过下面两个积分限制条件计算： 1 = j c o 邑( k ) r ( 1 5 ) r e ，5j c d 2 誓2 e ( r 肌 ( 1 6 ) 注意到最终的能谱只与局部雷诺数有关。图1 3 为不同雷诺数下的能谱图： 图卜3 不同雷诺数下的规格化湍流能谱图【1 2 1 f i g1 - 3t l i en o m l a l i 鹚dm o d e lt i l r b u l e n te n e 圆，s p e c 仃u mf o ra 啪g eo fr en u m b e f s ，、1 ，4 在规格化能谱图中，x = l 对应于局部积分尺度的倒数；r 2 k e ，。对应着局部 k 0 1 m o g o r o v 长度尺度的倒数。在上图中波数在其间的斜率为一5 3 ，称为惯性子 区。所以只有局部雷诺数大于2 0 时才能认为是湍流，而高雷诺数湍流( 具有明 显的惯性子区) 只有局部雷诺数大于4 5 0 时才出现。在利用雷诺平均方法求解低 雷诺数湍流模型时，模型参数是局部雷诺数的函数，局部雷诺数趋近于零时，则 为完全层流。而在用大涡模拟求解湍流模型时，典型的过滤网格尺寸应该对应于 与雷诺数无关的波数的尺度( p l o ) 。所以由大涡模拟模型计算的湍动能分率为： z = f e ( k 矽k 6 ( 1 - 7 ) 青岛科技大学硕士学位论文 其取值从低局部雷诺数时的1 到高局部雷诺数时的一个小于1 的常数。 由上面叙述可知，一般的c f d 模拟只能获得与积分尺度对应的流场结构，而 湍流理论认为，只有在k o l m o g o r o v 尺度下，湍流才是各项同性的( 现在的研究 表明即使在k o l m o g o r o v 尺度下湍流也不是各向同性的，但对于绝大多数情况下， 在此假设条件下获得的流场是合理的) 。而雷诺平均法是建立在湍流假设的基础 之上，也就是说雷诺平均法使用的条件是局部雷诺数至少要大于2 0 ，然而在很多 情况下，虽然宏观雷诺数已经达到了湍流的条件，但在流场内部仍有很多位置不 能满足这个条件，从而引起流场模拟的误差。 1 2 2s c h m i d t 数对湍流混合的影响 上述只是考虑了湍流矢量场的情况，而对于标量场在湍流状态下混合的空间 尺度和时间尺度更加复杂，f o x 对湍流状态下标量混合的尺度进行了详细的分 析，这里我们只考虑标量场是惰性而且非预混的情况。流体分子扩散系数为r ， 则利用动力粘度定义无量纲s c h m i d t 数： s c 暑里 r ( 1 - 8 ) 对于汽相，s c 的值一般在l 左右；而对于液体，通常其值在1 0 0 0 左右。利 用s c 和k o l m o g o r o v 空间尺度可以定义b a t c h e l o r 空间尺度，该尺度即对应于湍 流混合中的微观混合尺度，其表示如下： 厶= s c 。l 2 仇= s c l 2r e ，- 3 4 厶( 1 - 9 ) 一般认为，在b a t c h e l o r 尺度下通过分子扩散可以使浓度梯度迅速消失，即在 此尺度下浓度达到均匀。注意到对于s c 较大的情况，b a t c h e l o r 尺度即使在低雷 诺数下也很小，且远小于k d l m o g o r o v 空间尺度。所以高s c h i i l i d t 数下的湍流混合 比低s c h m i d t 数下的更复杂。 2 在用雷诺平均法求解模型方程时，局部的混合程度是由标量方差表征 的，其取值从完全混合状态的零到( k 一( 矽) ) ( ( ) 一) 。局部混合速率由标量耗 散率岛控制。类似于湍流积分时间尺度，标量时间尺度定义如下： ，一2 ( 2 ) o 2 彳 ( 1 1 0 ) 在用雷诺平均法模拟标量混合时，要计算( 矽2 ) 必须有一个计算的模型。在 7 高s c h m i d t 数下喷射反应器内湍流混合反应过程的多尺度模拟 充分发展的湍流中，可以通过标量能谱与r “联系起来【1 6 1 。 为确定标量时间尺度与湍流积分时间尺度的关系，引入一个规格化的标量能 谱模型如下： 一 易( k ) = 衅忡坍r 删彳( r ) 厶( r ) ( 1 1 3 ) 其中指数函数定义如下： ( r ) = 1 + 詈 7 6 厶( r ) ( r ) ( 1 1 4 ) 常数= 0 6 m 6 8 1 7 1 。 厶( r ) = ( 1 + c 。& 一烈f 垆r e ，班) e x p ( 一一以r 垆r e ，班) ( 1 1 5 ) 其中印= 2 5 9 ， d ( 誓) = 圭+ 丢( k ) ( 。6 ) 厶( 鬈) = ( 1 + 白。d r r e ，纠4 ) e x p ( 嘞一r r e ，班) ( 1 1 7 ) 标量耗散常数劬通过下面约束确定： r e ，= f 2 r 2 易( k 矽誓 ( 1 1 8 ) 注意到标量耗散常数只和s c 有关。 由定义可知，标量时间尺度和湍流积分时间尺度的比值等于规格化标量能谱 下面的面积，即： 丢2 j c o 易( k 肌 ( 1 - 1 9 ) 。 - o f i i9 、 在有关湍流混合的文献中，力学一标量( m e c h 锄i c a l - t o s c a k ) 时间尺度比值 定义如下： r ：堡 0 ( 1 2 0 ) 不同雷诺数和s c h m i d t 数下r 的值见图1 - 4 。 8 青岛科技大学硕士学位论文 r e f 图l - 4 不同雷诺数和s c i 皿i d t 数下的r 值【1 2 l f i g1 - 4r v a l u e sf o ra 啪g e0 f r e ，n u m b e r s 肌ds c h r n i d tn 吣b e r s 可以看出，在高雷诺数下尺与s c 无关而趋近于一个常数尺= = 2 o ；相 反，当局部雷诺数小于l o o 时，足值是局部雷诺数和s c 数的函数，特别是当s c 数远离l 时，r 值受雷诺数的影响更加强烈【堰】。在c f d 模拟中， r 可以从湍流 模型中计算，而则可以从上图中获得。所以上图中的曲线定义了以局部雷诺数 和s c 数确定的的s g s 模型。 总之，湍流混合过程的所有特征尺度都由尺p ，决定。在c f d 模拟中，湍流模 型可以提供七和，如果知道流体的动力粘度，就可以计算局部雷诺数和相关的 积分尺度。再利用能谱模型，就可以获得特定雷诺数和s c 数下的混合时间。 1 。2 3 不同特征混合时间比较 对于湍流反应来说，直接影响反应过程的是分子尺度的混合，其由微观混合 直接影响，而介观混合和宏观混合又通过影响微观混合的环境间接地影响着反应 效果。所以通过对不同尺度混合过程的速度进行比较，可以定性的找出影响混合 效果的限制步骤，有目的地加以改进，从而提高反应的收率和选择性。 对于本文研究的喷射反应器来说，其湍流耗散率一般在1 0 1 0 0 0 之间，所以 其特征微观混合时间尺度和介观混合时间尺度从几个毫秒到几十个毫秒不等，而 宏观混合时间尺度则比较低。当用c f d 方法对混合过程进行模拟时，由于其网格 尺度大于微观特征长度尺度，所以不再严格区分介观混合和微观混合，而是把网 格尺度内的混合统称为微观混合，把大于网格尺度的混合称为宏观混合。 9 高s c h m i d t 数下喷射反应器内湍流混合反应过程的多尺度模拟 1 2 4 混合与反应的关系 在对任何反应器进行数值模拟前，需要确定哪个步骤是湍流反应过程的控制 步骤。将特征混合时间与特征化学反应时间相比较可以将化学反应分类。 对于n 级化学反应，其特征化学反应时间尺度由半衰期定义为： 矿k 瓦) 仍1 - l m 2 - ， 以此可以把反应分成如下几类： 瞬时反应：f 聊f ， 快反应： f 跏于， 慢反应： f 掰于， 一般，对于瞬时反应来说，特征混合