（化学工程专业论文）f1型浮阀塔板两相流场的cfd模拟.pdf

中文摘要 精馏塔在现代化工生产中占有重要的地位，其主要形式有板式塔与填料塔两 种。近些年来，板式塔的研究取得了很大的进展，其中一个重要方面就是应用计 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 ) 对塔板上流体流动状况 进行数值模拟。目前c f d 模拟主要集中在筛孔板塔上，而应用十分广泛的f l 型 浮阀塔板流场的c f d 模拟研究却鲜有报道。本文应用c f d ，对f 1 型浮阀塔板 全开状态下的两相流场进行了模拟研究。 在国内外已有的研究基础上，本文建立了瞬时三维5 0 0 x 5 0 0 r a m 全开状态的 f l 型浮阀塔板两相流模型。模型以e u l e r 两相流模型为基础，采用标准k 一占湍 流模型描述气液两相的湍流流动。模型中，气液两相的相问作用力主要考虑了相 间曳力，其中曳力系数采用s c h i l l e r 等提出的方法进行计算。模型采用有限体积 法进行数值求解，压力速度耦合采用相间耦合s i m p l e 算法求解，时间项采用隐 式方法求解，对流项采用一阶迎风方法求解。 为了对模型结果进行检验，本文采用空气水物系测量了5 0 0 x 5 0 0 m m f l 浮阀 塔板在浮阀全开状态下的清液层高度。并且研究了清液层高度随空塔气速、堰高 和液流强度变化的规律，发现清液层高度随空塔气速增加而减小，随液流强度和 堰高增加而增加。通过和实验数据对比发现，模型结果和实验结果吻合较好，证 明本文所建立的c f d 模型能够较为准确的描述全开的f 1 浮阀塔板上气液两相流 的瞬时流场。 通过模拟结果的进一步分析，发现在液体出口处存在垂直涡流，低于堰高位 置上还有两个水平涡流，气体在液体出口处同样存在垂直涡流；液体流速沿液 流方向经历了先增大后减小再增大再减小的波动情况，而且在塔板浮阀区液相被 气相大量吹散，液相含率很低。 本文为f 1 型浮阀塔板两相流场的数值模拟提供了有效的方法，模拟结果证 明c f d 方法可应用对浮阀塔进行模拟计算及指导设计，也为进一步的研究打下 了良好的基础。 关键词：f 1 型浮阀计算流体力学两相流三维模拟 a b s t r a c t i nd i s t i l l a t i o n p r o c e s s ，d i s t i l l a t i o nt r a y s a r ee s t a b l i s h e d 舔g a sa n dl i q u i d c o n t a c t i n gd e v i c e s a ni m p a s s et h a th a sh i n d e r e dt h ef u r t h e ri m p r o v e m e n to ft h e s e d e v i c e si st h ef a c tt h a tl i a l ei sk n o w na b o u tt h ef l o wp h e n o m e n ap r e v a i l i n gi n s i d ea t r a yf o rg i v e ng e o m e t r ya n do p e r a t i n gc o n d i t i o n s 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 ) i sw i d e l ya p p l i e dt os t u d yh y d r o d y n a m i c so fs i e v et r a y 。b u tf o rf 1v a l v et r a y ， w h i c hi su s e dw i d e l yi np r a c t i c e ，t h e r ei s n ta n yc f ds i m u l a t i o nr e p o r t e d i nt h i sp a p e r ，at r a n s i t i o nc f dm o d e lw a sd e v e l o p e dt op r e d i c tt h eh y d r a u l i c so fa 如1 1o p e nv a l v et r a y t h em o d e lc o n s i d e r e dt h et h r e e - d i m e n s i o n a lt w o - p h a s ef l o wo f g a sa n dl i q u i di nt h ee u l e r i a nf l a m e w o r k ，i nw h i c he a c hp h a s ew a st r e a t e d 舔a n i n t e r p e n e t r a t i n g c o n t i n u u mw i t h s e p a r a t et r a n s p o r te q u a t i o n s t h ee m p i r i c a l c o r r e l a t i o no fs c h i l l e re ta i w a sa p p l i e dt oc a l c u l a t et h ed r a gf o r c e , t h ei n t e r p h a s e m o m e n t u mt r a n s f e rt e r mb e t w e e nt w op h a s e s ，a n dp r o v i d eac l o s u r er e l a t i o nt ot h e m o d e l p r e s e n ts t u d y ，t h es t a n d a r dk - zt u r b u l e n c em o d e lw a su s e dt os i m u l a t et w o p h a s e st u r b u l e n c ef l o w i nt h em o d e l ，u s i n gf m i t ev o l u m em e t h o dw a su s e df o r n u m e r i c a ls o l u t i o n ，t h ep r e s s u r e - v e l o c i t yc o u p l i n gp h a s ec o u p l i n gs i m p l ea l g o r i t h m w a sa d o p t e d ，t i m ei t e m sw e r ec a l c u l a t e du s i n gi m p l i c i tm e t h o da n dc o n v e c t i o nw a s s o l v e db ya l lo r d e ru p w i n dm e t h o d s e v e r a ls i m u l a t i o n sw e r ec a r r i e do u tf o rar e c t a n g u l a rw a y ( 0 5 0 3 5 0 3 m ) f u l l o p e nv a l v et r a yw i t hv a r y i n gs u p e r f i c i a lg a sv e l o c i t i e s ，w e i rh e i g h t sa n dl i q u i dw e i r l o a d s i no r d e rt ov e r i f yt h es i m u l a t i o n s ，a ne x p e r i m e n tw a sc a r r i e do u ti nt h es a m e r e c t a n g u l a rt o w e r , a n dc l e a rl i q u i dh e i g h tw a sm e a s u r e db yu s i n ga i ra n dw a t e rw h e n f 1v a l v e sw e r gf u l lo p e n i ts h o w e dt h a tt h ep r e d i c t e dc l e a rl i q u i dh e i g h t sw e r ei n g o o da g r e e m e n t w i t l lt h ee x p e r i m e n t a ld a t a t h ec f ds i m u l a t i o n sr e f l e c tc h a o t i cw a y h y d r o d y n a m i c sa n dr e v e a lt h a tt h e r ea r et w o l e v e le d d i e si nt h el i q u i de x i ta n db e l o w w e i rp o s i t i o na n dav e r t i c a le d d yi nt h el i q u i de x i t 。 t h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t e dt h a tc f dc o u l db eu s e d 船ap o w e r f u lt o o li nt h e t r a yd e s i g na n da n a l y s i s k e yw o r d s ：f 1v a l v et r a y ，c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，t o wp h a s ef l o w ， t h r e e d i m e n s i o ns i m u l a t i o n 符号说明 符号说明 g ，g 。，g 。，q ，屈g ，气， 湍流模型参数 g曳力系数 c 。热容，j ( k g k ) d 直径，m f d曳九。n f 瞪升力，n 万。 虚拟质量力， g 重力加速度，m s 2 而，清液层高度，m r h 质量流率，堙s p 匿力，p a q b液流强度，m 3 ( h m ) r e 雷诺数 丁温度，k t 时间，s 砧 速度，m s k 湍动动能，m 2 s 2 希腊字符 口体积分率 p密度，堙朋3 粘度 尹 应力张量 五 体粘度，p a s 湍动动能耗散率，m 2i s 3 下角标 g第q 相 明混合相 g气相 液相 i ， 坐标方向 6 1 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下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，也不包含为获得墨壅盘堂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： 弓参签字日期： 州7 年6 月夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂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：刎彰导师签名： 签字日期：t 刁年6 月7 日 签字日期： 饧彬j 包 。h 月7 日 第一章文献综述 第一章文献综述 塔设备是化工，炼油，农药，医药，环保等行业中的核心设备之一，涉及精 馏，吸收，解析，汽提，萃取等化工单元操作。它的主要功能是使气( 或汽) 液或 液液两相之间通过接触达到相际传质及传热的目的。 塔设备分为填料塔和板式塔。一般认为，在某些场合下，填料塔有压降小、 效率高的突出优点，但造价较高，且对气液初始分布敏感，特别在高压下分离效 率和通量比在常、减压下的低得多。而板式塔结构较为简单，易于放大，造价较 低，对于常压与加压物系，特别是大塔径、多侧线气液传质设备板式塔有较大的 优势。因此，对板式塔的开发研究在塔器技术中占有举足轻重的作用【l 】【2 1 。 1 1 塔板发展状况概述3 8 】 近些年来，塔板技术有了明显进步，国内外相继推出了一系列结构新颖、性 能优良的新板型。国外的如：k o c h g i l i t s c h 公司的s u p e r f r a c 型塔板、b i f r a c 型 塔板、n y e 型塔板，n o r t o n 公司的t r i t o n 型塔板，u o p 公司的e c m d 、v g m d 和m d 型塔板，英国诺丁汉大学开发的f l o wc o n t r a l 型塔板，j a e g e r 公司的c o f l o w 型塔板。此外，德国开发了一种带金属片传质元件的复合塔板，原苏联开发了新 型气相分流式塔板、带旋转接触元件的旋流塔板、带纵横挡板的喷射导向塔板和 新型高速旋转塔板等。国内的如华东理工大学的导向浮阀塔板和组合导向浮阀塔 板，浙江工业大学的d j 系列塔板，南京大学的新9 5 型塔板和混合箱塔板等。这 些都显示出板式塔在工业应用和未来发展中的强劲势头。 1 1 1 筛孔型新型塔板 筛孔型塔板是历史最悠久的板型之一，工业上应用非常广泛，经过许多年的 研究开发也形成了一系列优良板型，如导向筛板、m d 筛板、泡罩筛孔塔板、 网状塔板、带挡板的筛板以及新型垂直筛板等。下面简要介绍当今工业上应用较 广泛的新型筛孔塔板。 第一章文献综述 i i 1 1m d 筛板和国内开发的d j 系列塔板 美国联合碳化物公司( u c c ) 6 0 年代开发的m d 塔板阿1 0 】【1 1 1 近年来颇受重视。 其结构特点为：i ) 塔板上设有多根降掖管，溢流周边比一般塔板增加2 5 倍；2 ) 降液管悬挂在气相空间，塔板上受液区仍然开孔；3 ) 每相邻两板的降液管互成9 0 度排列；4 ) 板间距小，仅为一般塔板的5 0 7 0 。以m d 板代替常规板，取消 了受液盘，处理量可提高1 5 左右。1 9 9 2 年国际精馏与吸收会议上，u o p 公司 又提出了一种更大通量的i v i d 板，其通量又提高1 5 以上，针对m d 板在液流分 布和传质效率方面存在的不足，浙江工业大学在8 0 年代末开发了d j 系列塔板 1 1 2 d 3 。 d j 塔板继承了m d 塔板降液管的特色，并在结构形式、通量和效率等方面 有所创新。目前d j 塔板有3 种型号：d j 1 型塔板是为了适应大液气比的吸收操 作而开发的，主要结构特点是：采用宽型降液管，并对降液管的根数和排列作改 进和优化；d j 2 型板上设置了导流装置，在相应位置上开设导流孔，安装导流 板，改善液流的初始分布，使塔板上液流接近活塞流；d j - 3 型塔板的下方复合 一薄层规整填料，填料层处于气相空问，起到了抑制雾沫夹带作用，使板效率提 高了1 0 一1 5 ，通量提高1 5 - 2 0 。d j 塔板能胜任大液量和加压操作，1 9 9 9 年针对d j 系列塔板存在的冲击漏液缺陷，研究开发了诱导型防冲击漏液装置， 使d j 系列塔板的性能进一步提高。 1 1 1 29 5 型大通量塔板和混合箱塔板 9 5 塔板【1 4 】是南京大学通过改进降液管结构和板面设计，从两提高塔板的有效 传质区面积而开发的一种新型大通量塔板，其结构特点为：1 ) 采用月牙型溢流 堰，其上部面积仅占塔截面积的5 左右，下部仅为3 左右，并取消了入口堰 前的安定区，使其有效传质区面积约占全部塔板面积的9 5 ，一般比传统塔板 通量增加1 0 - 2 5 ：2 ) 采用管尾向塔壁开口的降液管，使液体直接从塔壁降 下，延长塔板上液体的平均停留时间，从而提高板效率，一般比传统塔板要高5 一1 0 ；3 ) 采用全塔板液体均分导流，使板上液体呈活塞流状态，该塔板与 美国最新型的n y e 塔板相比，通量要高1 0 一1 5 ，效率高5 以上。 混合箱塔板是南京大学的又一专利，特别设计用于强化传递与分离效果的传 质元件，基本可以实现高通量下的高效率，它是一个个罩在塔板孔簇( 筛孔、斜 孔或舌形孔) 上的结构持殊的小箱子，当气流穿过孔簇上升时，由于其有一定的 速度和动能，便带动孔簇周围的液体一起离开塔板，形成气、液混合流股，此流 股在混合箱空间内经充分搅动混合，实现气液间的充分接触、传质与传热，并沿 塔板上液流的宏观方向斜向喷出，其中的液体由于喷射动能和重力的作用而落入 2 第一章文献综述 板面，归入液流主体之中，而其气相则自动与液相分离而上升至上一块塔板。当 气液两相实现分离时，已基本上接近于热力学汽液平衡状态，此种结果将意味着 气液传质效果的大幅度提高，即板效率的大幅度提高。 1 1 2 浮阀类新型塔板 圆盘形浮阀自从1 9 5 3 年开发成功后，因其具有操作弹性大、效率高等诸多优 点，在工业生产中得到极为广泛的应用。其代表是美国g l i t s t c h 公司推出的v 1 型 浮阀，国内称这为f 1 型浮阀。美国g l i t s t c h 公司同时还推出了v 4 型浮阀，它与 v - i 型浮阀不同的是阀孔采用文丘里结构，以降低塔板阻力。 随着塔器技术不断进步，f 1 型浮阀塔板下列不足对其应用产生一定的影响： 塔板上液面梯度较大；塔板上液体返混程度较大；在塔板两侧弓形部位存在着液 体滞流区。以上三方面对塔板效率都有不利影响。针对上述不足，国内外都在开 发f 1 型浮阀塔板的改进型塔板。 1 1 2 1 、v - v 浮阀塔 德国s t a h l 公司在2 0 世纪8 0 年代推出的一种高弹性浮阀塔板 ( v a r i o f l e x - v a l v e t r a y ) ，简称v v 塔板【1 s i 阍。据介绍，其操作弹性可达1 2 ：l ，结构 示意图如图1 1 所示。在妒5 0 m m 的圆形平板阀片中间开有口b 2 0 r a m 的圆孔，在气 速较小时，阀片停靠在塔板上，使整块塔板的开孔率大为减小，气体直接通过阀 片上2 0 r a m 的圆孔进入液层，如图1 1 ( a ) 所示；随着气量的增加，阀片慢慢升起， 这时，气体一部分从阀片升起的间隙直接进入液层，另一部分则通过阀片上的小 圆孔后由于定位架上盖板的强制作用而水平进入液层，如图1 - 1 ( b ) 所示； j t 【t l 嚣静 ( a ) 低气速流率 鲁惑历毒惑 恭两i | |：；l 吻孺i l l i f ，i ，tf ( b ) 中气速流率 ( c ) 高气速流率 图i - iv - v 浮阀塔板结构图 当气速继续增大时，阀片继续上升直到定位架的顶部，这时气体全部通过阀片升 第一章文献综述 起的间隙进入液层，如图1 1 ( c ) 所示，这样通过阀片的升降保证塔板具有较大 的操作弹性。从结构上看，v v 塔板较f l 浮阀复杂，阀片不会被卡住或脱落， 使用可靠；同时固定阀保证气体水平吹入液体，强化了气液接触时的湍动作用。 操作弹性大，但雾沫夹带也较严重。 1 1 2 2l 1 条型浮阀塔 l l 条形浮阀f 1 _ 7 】是由洛阳石化公司研制而成，其结构特点如下：1 、保留了浮动 的阀体结构，以便使气体通道面积可以随气相负荷的大小而调节，提高塔板的操 作弹性。2 、采用长条形顺排错位排列的塔板，以便避免气流的逆向反冲现象， 减小液体流动液面落差，提高处理能力。3 、气体从阀体两侧水平吹出，以使塔 板上的液体分布均匀，改善气液接触，提高塔板效率。4 、简化阀体结构，采用 适宜尺寸，以减少阀体个数，便于安装、检修，l 1 条型浮阀结构如图1 2 所示。 图l - 2l l 条型浮阀 1 1 2 3 导向浮阀塔板 导向浮阀塔板 1 8 】【1 9 1 是对f 1 型浮阀塔板的改进，由华东理工大学开发并获国 家专利，在条阀阀面上开一个或两个导向孔，以发挥气流推液的作用。由于导向 孔的设置，导向浮阀具有较小的液面梯度、塔板上液相返混较小且可消除塔板上 液体滞流区。其结构如图1 。3 所示，导向浮阀塔板与f 1 浮阀塔板相比，具有如 下特点： 第一、浮阀上设有适当大小的导向孔，导向孔的开口方向与塔板上的液流方 向一致。在操作中；借助从导向孔流出的少量汽体推动塔板上的液体前进，从而 消除液面梯度。 第二、f l 型浮阀为圆形，汽体向四面八方流出，造成塔板上的液体显著返混， 塔板上液体返混将降低塔板效率。导向浮阀是长方形，这样气体不是从四周流出， 而是从两侧流出，气体流出的方向与塔板上的液流方向互相垂直，可使塔板上液 体的返混程度明显减小。 第三、借助导向浮阀的适当排布，可以消除液体滞留区。 4 第一章文献综述 具有l 十导匈孔且有2 十导向孔 图1 3 导向浮阀结构示意图 1 1 2 4 梯形浮阀 梯形浮阀塔板 2 0 l 是在总结条形浮阀塔板运行经验的基础上，改进而成的一种 新型塔扳。它利用简单的阀形改变，即将条形改为梯形，使气流沿垂直于阀片边 缘水平吹出时，对液体的作用力可分解为两个分力。一个分力垂直于液体流向， 起着分散均布液体的作用：另一个分力则平行于液体流向，具有导流作用，有利 于克服液体滞流与返混现象，减小液面落差。梯形浮阀的流动力学分析示于图 1 - 4 。 i 由 l - i 一 图1 4 梯形浮阀流动分析示意图 1 1 2 5 导向梯形浮阀 导向梯形浮阀【2 1 】是天津大学在国内外v 型栅板研究和应用的基础之上，开发 的一种新型塔板，它吸收v 型栅板的结构优点与其它的导向浮阀塔板的优点，将 矩形阀片改为梯形阀片，使气流的推液作用得到了加强，进一步改善了液流状态， 减小液相返混，它又采用可上下浮动的阀片结构，故有比较高的操作弹性。导向 梯形浮阀的结构示意图如图1 5 所示。 第一章文献综述 图i 5 导向梯形浮阔结构示意图 1 1 2 6 微分浮阀 微分浮阀【2 2 】【2 3 1 是清华大学泽华公司在9 0 年代末推出的一种浮阀，它主要针 对f i 浮阀在操作过程中存在的一些问题，譬如，浮阀上方没有鼓泡区，塔板局部 存在滞流，研制而成。其结构示意图如1 - 6 所示。 微分浮阀分为圆形和矩形两种，其共同特点是在阀顶开有小阀孔，充分利用 浮阀顶部的传质空间，使气体分散更加细密均匀，气液接触更加充分。实验表明 无论是圆形微分浮阀还是矩形微分浮阀，都比f l 浮阀有较好的流体力学和传质 性能。 图l 一6 微分浮阀结构不意图 此外，h t v 浮阀【2 4 】等也是国内有创新的塔板浮阀，在工业上也有一定的应用， 这里不再详述。通过对近几年来新型浮阀的分析可以看出，新型浮阀在阀型、气 流推力和塔板压降方面有了很大的改进，它们在流体力学与传质方面较f l 浮阀有 了明显的改善。 1 1 3 立体喷射型新型塔板 近年来，在诸多形式的新型塔板中，以液相为分散相的喷射型塔板已受到普 遍重视。喷射型塔板在液相为分散相、气相为连续相状态下进行操作，传质面积 6 第一章文献综述 扩大了许多，同时气体不再由板上液层通过，因而压力降大大降低。这类塔板一 般又具有气体分离的结构，可保证在很高的气速和液体充分分散的情况下，很好 地进行气液分离，以减少雾沫夹带，并提供更多的传质面积。近期研究表明，喷 射型塔板的优点是很明显的，可以认为液体分散型塔板是以后新型塔板的重要发 展方向。 1 1 3 1 新型垂直筛板( n e wv s t ) 新型垂直筛板是由日本三井造船株式会社于1 9 6 8 年前后开发成功的，1 9 8 0 年河北工业大学等几家单位对其性能与结构进行了研究，并加以推广使用【2 5 - 2 9 。 n e wv s t 是以气相为连续相，液相为分散相的新型喷射型塔板，其结构形状如图 1 7 。主要特点是：在塔盘上布置有若干圆柱形帽罩，帽罩有顶盖，可有效抑制 雾沫夹带，其圆筒壁上部开有许多小圆孔或缝隙，气液混合物从这里喷出。在圆 筒底与塔板板面之间留有一定高度的缝隙，液体则经过这个缝隙由罩外流入罩 内。罩子下方的板面上开有圆形孔，为气体通道。操作时，从下层塔板上升的气 体，经板孔与从罩底隙进入的液体相遇，经过拉膜、提升、破膜、混合、喷射分 离等过程完成气液接触传质。该塔板具有气体处理量大、效率高、操作范围宽等 优良性能，一经闻世就受到国内外化工界的重视，在工业应用方面取得很大成就。 ：型 s 曩 图1 7 新型垂直筛板 1 1 3 2 气液并流填料塔板( j c p t ) 气液并流填料塔板( j c p t ) 【3 0 】 3 1 1 1 3 2 1 是在n v s t 和填料塔的基础上提出的一种新 型复合塔板，它是利用效率高、阻力小的波纹填料取代了n v s t 的垂直筛孔，从 而较n v s t 塔板有更优的操作性能。其结构形状如图1 8 。 迄今为止，j c p t 已经多次成功地应用于精馏、吸收等领域。该塔板的结构 7 第一章文献综述 特点是：在塔板上按一定的排列方式开出一定数目的圆孔，在圆孔的上方安装帽 罩。帽罩上半部的方形框架内装有规整填料，其上有顶盖；帽罩下半部分为圆形 升气简，升气简下部有可调支脚以调节帽罩与塔板间的底隙。由于j c p t 成功地 将填料和塔板结合在一起，使其具有雾沫夹带小、处理量大及效率高等特点，是 一种具有广泛应用前景的新型高效塔板。例如在对脱丙烷塔的改造中，采用j c p t 改造浮阀塔板，不但效率得到提高，产量也提高了一倍。在甲基叔丁基醚装置的 改造中，采用j c p t 更换原浮阀塔板，在原塔体、管口、支承圈、降液管均不变 的情况下，处理能力提高3 倍。如今此塔板以成功的应用在丙稀丙烷等高难物 系的分离上，是一种比较有应用前途的塔板。 l 挡板；2 - 填料；3 - 提液管；4 升气孔；5 - 塔板 图1 - 8 气液并流填料塔板 1 2 塔板计算流体力学发展现状 近些年来，随着计算机软硬件的发展以及计算流体力学理论和方法的不断发 展完善，使用计算流体力学方法精确地模拟设备中流体的流动已成为可能。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 ) 模拟以其费用低、耗时短、容 易改变参数、不受实际条件限制等特点引起了各方面的重视，并在各行业如建筑、 暖通、航天、化工、汽车等得到了广泛应用。大型计算流体力学商业软件使在传 统数学分析难于实现的复杂边界条件和复杂几何形状的处理方面的问题可以得 到很好的解决。在塔板计算上，国内外学者也作了大量的工作1 3 3 - 4 1 1 ，下面介绍近 年来塔板计算流体力学的发展状况。 计算流体力学引入模拟塔板上的流体流动始2 0 世纪八十年代，余国裂3 3 。8 】【4 2 】 和i b i s h 舶嗍【4 l 】领导的课题组在这一领域起步较早，并取得了许多成果。所建模 型大致可分为：拟单相流动模型、气液两相混合物的流动( 简称混合模型) 以及分 别模拟气、液两相流动的双流体模型( 简称双流体模型) 。 第一章文献综述 1 2 1 拟单相流模型 拟单相流模型即把塔板上的气、液两相流动简化为单相流动处理。在考虑气 相阻力作用的条件下，李建隆t 3 3 】建立了比较简单的筛板流相流场计算模型。模型 中包含两个方程，方程中的主要参数仇( 涡流传质系数) 与涡流粘性系数等价，通 过试验数据回归得到。该模型的优点是比较简单，缺点是推导时作了很多假设， 使得模型计算结果与实际情况有时相差较远。模型计算结果未能显示返流区的存 在。 y o s h i d a f 蚓利用涡量表示的n s 方程求解了筛板上液相流速场，但模型中未 能考虑气相对液相流速分布的影响，并且他的计算仅限于小雷诺数r e ( 2 卜 1 0 0 0 ) 的层流情况，与精馏塔实际操作时塔板上的流动为湍流不符。该模型未模 拟出试验中常见的返流现象，此外，计算值没有与试验值进行比较。 张敏卿f 3 5 】提出考虑垂直气相流阻力作用的k 一湍流模型，计算了筛板上的 液相流速分布，在直径较大的塔板上算出了弓形区存在返流现象，但在有些工况 下未能算出返流区，这与实际情况有差别。该模型与工程中常见的七一占湍流模 型的区别是在动量方程中加入了上升气泡阻力项，其控制方程如下： 连续性方程： a u _ 2 x + 丝：o ( i - i ) 出 砂 运动方程： 。 ， 心誓+ u y 冬：一土罢+ 昙( k 笃+ 晏( k 翁一警略( i - 2 )z 乞：o o = 一i 一+ i 【k ) + i 一【v ： ) 一等略 勺x qp l 呶盘 m p 小l 以誓m 等= 一去罢+ 丢c 匕誓，+ 号亿等，一瓮 m 3 ， 以吉切y 苗一i 瓦+ 瓦【匕言) + 面忆苟j 一嵩 ( 卜3 ) k 方程： 虬篓+ 甜，嬖：昙洋篓) + 昙淳嬖) + g 一占( i - 4 ) 蹴 。砂班改砂o - x 砂 、 占方程： 畋豢+ 哆雾= 丢( 毒参+ 品( 毒爹+ ( g g - c 2 占) 委k ( 1 - 5 ) m? o ) ) 积o e 蕊o ) a 8 固 k：垡(1-6) c 。= 0 0 9q = 1 4 4c 2 = 1 9 2o - , = 1 0 吒= 1 3 刘春江( 3 6 1 提出了改进的塔板流体流动时湍流动能踊湍流动能耗散率占的输 9 第一章文献综述 运方程。而在两相错流时的湍动能k 和湍流动能耗散率占的输运方程中增加了由 于气体的穿过而造成液体湍动能生成项即鼓动生成项，同时该模型中仍保留了张 敏卿模型中的上升气泡阻力项。其返流区的计算值仍低于自身实测值【3 6 】与 p o r t e r 等f 3 8 1 的实验值。其数学模型如下： 连续性方程： 盟+ 丝：o( 1 7 ) 反 砂 运动方程： 畋誓+ u y 荽：罢+ 昙( k 驾+ 拿( 屹一g 等 ( i - 8 ) 畋言+ 方一瓦否+ 瓦【k 书o x + 万a y ( 屹刊a y “6 荔p u 诺 o x钾p t 戗m r n t 虬鼍坞等= 一去篆+ 去c k + 万a 叱万0 u y ，一c h - v -等甜y m 9 ， 虬吉栅，畜一i 瓦+ 瓦【k 言h 面叱万卜荔甜y 拶 k 方程： 蚝蓑+ “y 雾= 瓦o r , 瓦o k ) + 万o 、i v , 万o k ) + g r + g 一见占( i - 1 0 ) 占方程： 蚝喜+等=丢(芋孚)+杀(芋马+(g(ggv)一e见占)素(1-11)ox o x o y 。固 积6 e68 k 。 1 ，：三芷+ 丝 ( 1 1 2 ) 。 占p 模型常数取 巴= 0 0 9c 1 = 1 4 4 c 2 = 1 9 2o k = 1 0 = 1 3 g r = c 匕一等售警+ 等等+ 等等+ 等等 m 。3 ， + 丝塑+ 笪盟+ 盟塑+ 盟蚂 融砂砂苏 玉彘 缸砂 g v ：掣 p l h l g 为由于主体流动而造成的脉动动能生成项，q 为由于气体穿过液层而造 成的脉动动能生成项，称之为气相作用生成项。 以上各个模型均为根据实验结果，认为塔板上的流体主要为二维流动而建立 的二维稳态模型，但严格说，与实际塔板上非稳态三维流动情况不吻合，刘伯潭 【4 3 】【删首次将塔板计算流体力学流场的模拟发展成三维流动，很好的反映了塔板 的流动的真实情况，但是由于其在考虑气液两相相互作用时的处理过于简单，计 算出的流场与实际有偏差。王晓玲将刘伯潭的三维塔板流动模型进行了很好的发 展，在气液相互作用中充分考虑了相间曳力、横向升力、虚拟质量力以及气、液 含率对流场的影响，这比刘伯潭在气液两相间只考虑曳力的影响具有很大进步， 更接近塔板上的流动实际，并且王晓玲首次对全塔( 1 0 块塔板) 的流场进行了 l o 第一章文献综述 模拟，为以后真正用计算流体力学方法进行塔板设计提供了很好的开端。单相流 模型的优势在于方程简单，多采用的是与单相流匹配的k - 6 模型来封闭方程组。 在数学模型中虽然考虑了两相的曳力【4 5 1 1 4 6 1 等气液两相的相互作用以及气相对液 相的湍流增强作用f 4 5 】，但其仍是把塔板上的两相相互作用考虑的不充分。以上因 素可能是造成计算值与实验值偏差的原因。 1 2 2 塔板混合模型 混合模型是把两相混合物作为整体来考虑的。混合模型与拟单相流模型的区 别在于，首先从混合模型的推导过程中看出，混合模型是由两相各自的局部瞬时 方程及界面条件经e u l e r 时间平均得到，它考虑了两相相间作用的影响。其次是 动量方程比单相湍流模型多了动量源项坂它考虑了两相间表面张力的影响。气 体与液体两相流复杂的现象之一是表面张力的影响。它将影响靠近交界面处的动 量、热量和质量输运的速率，特别是在小尺度系统，如气体一液体接触过程，这 种影响更明显。在这一过程中，所产生的压强梯度将阻止流体的正常流动，增大 塔板吸力降。此外，混合模型比单相流模型多了一个气相扩散方程。经过e u l e r 时间平均后，考察的是控制体的“宏观状态”，则认为气、液相占据空间同一体积。 考虑的微元是一个个控制体。因为两相问速度差的存在，使得通过控制体内气泡 的含量不同，因而产生浓度扩散，这体现在气相扩散方程及混合动量方程中由浓 度差引起的扩散应力项上。虽然混合模型比双流体模型简单( 如方程数目) ，然而 正是混合模型的简单性，使它在许多工程中很有用。再者，工程中需要的结果常 常是混合物的特性不是两相流中单项特性。 王晓玲【4 2 】运用筛板上混合模型计算了塔板上的流场分布，但是在考虑两相间 相互作用时也只是考虑了气液间表面张力对混合物的影响，即动量源项蚝、 k ，( 动量源项在z 、y 方向上的分量) 及参考张敏卿p 5 】模型考虑气相穿过双层对 液层的阻力项，但其计算结果未能再现塔板返流区。并且其计算模型也停留在两 维，又由于混合模型在处理塔板问题上相对于拟单相流模型没有明显的改进，应 用起来也不是很方便，因此，近年来很少有人应用此模型进行塔板的模拟。 1 2 3 双流体模型 计算流体力学的发展为深入了解多相流动提供了基础。目前有两种数值计算 的方法处理多相流：欧拉一拉格朗日方法和欧拉一欧拉方法。 1 2 3 1 欧拉一拉格朗日模型 欧拉一拉格朗日模型在处理流体时，将流体相作为为连续相，直接求解时均 第一章文献综述 化纳维斯托克斯( n - s 方程) 方程，而离散相的运动情况是通过计算流场中大 量的粒子，气泡或是液滴的运动得到的。离散相和流体相之间可以有动量、质量 和能量的交换。 该模型的一个基本假设是，作为离散的第二相的体积比率应很低。粒子或液 滴运行轨迹的计算是独立的，它们被安排在连续相计算的指定的间隙完成。这样 的处理能较好的符合喷雾干燥，煤和液体燃料燃烧，和一些粒子流动，但是它不 适用于流体一流体混合物，流化床和其他离散相体积率不容忽略的情形。 1 2 3 2 欧拉一欧拉模型 在欧拉一欧拉方法中，把不同的相处理成互相贯穿的连续介质。由于一种相 所占的体积无法再被其他相占有，故此引入相体积率( p h a s ev o l u m ef r a c t i o n ) 的 概念。体积率是时间和空间的连续函数，各相的体积率之和等于1 。从各相的守 恒方程可以推导出一组方程，这些方程对于所有的相都具有类似的形式。从实验 得到的数据可以建立一些特定的关系，从而能使上述方程封闭。 近年来，出现的条件取样技术，揭示了湍流区域中的两种不同的状态( 如速 度、温度和成分) 的流体在空间共存的事实 4 7 1 。例如，在定常的湍流自由射流中 发现的冷热两种气团共存的同一空间位置，它们不但具有不同成分和温度，而且 具有不同的速度。目前学术界及企业界对运用c f d 模拟两相流已引起极大兴趣。 不可压缩流体液气双流体模型以欧拉一欧拉模型为首选 4 8 - 5 7 。 欧拉一欧拉湍流模型的基本假设认为： 两种流体在湍流流体在时间和空间是共存的。这表现为在流动空间某处的一 个单元内液滴与空气各占据定的体积，这可理解为空间某一点上两种流体以一 定的几率出现，其表征量，即相分布参数一液含率和气含率。 两种流体可视为互相穿透的连续介质，其运动规律服从各自的控制微分方程 组。两相流的模型在计算流场方面来说相对于拟单相流动模型是一个进步，但是 它在处理有传质状况存在的条件下，应用起来很不方便。 两相流体问存在动量、能量以及质量的相互传递，亦即相间耦合( p h a s e c o u p l i n g ) 。在筛板上，气液两相间存在多种相互作用力，如：曳力、横向升力、 虚拟质量力等。并且，气泡的存在还加剧了液相的湍动。 袁希钢等f 5 8 】在推导液相动量方程时考虑气体的阻力作用z 、六，首次建立 了筛孔塔板气液两相流动的二维双流体模型，计算结果较张敏卿【3 5 1 、王晓玲【4 2 1 混 合模型有所改进。其通式可表示为： 塑譬型：晏( v 一+ + 乃 ( 1 - 1 4 ) 吼jo x j蕊j 式中：下标k 为相标记，取g 与l ( g 表示气相，表示液相) ；下标， 1 2 第一章文献综述 表示空间坐标：q 为第k 相的含率；为局部相速度；佴为所求问题的困变量： r 。为扩散系数：为源项。 虽然袁希钢等”利用两相流双流体理论和王晓玲n 2 喇用两相流混合物理论 所得出的模型比较复杂，考虑的因素比较多，但计算结果仍不理想。其主要原因 是因为这两种理论本身都是在研究两相并流状态下推出的，而在描述塔板两相流 动时，气相在垂直方向的运动对液体的影响比较大而在水平方向的运动对液体流 动的影响相对来说很少，如何充分全面地研究气液间相互作用的影响正是双流体 横型的困难所在。 f i s c h 目p ”等提出运用 c f d i 苠拟三维非稳态矩形塔板流体力学的双流体模型， 其不足在于假设相问动量传递系数为0 4 4 ，这是处于滞流流场中球形固体受到的 曳力系数，而对于塔内高速运动的汽泡与液层之间的相互作用是不合适的。 s b 丑a 【舯】【4 l 等用c f d 计算7 - z 唯非稳态矩形塔扳，他采用了变化的相问动量 传递系数。后他又用此模型进行圆形塔板的模拟，由于其气泡和液体之问的曳力 系数是由鼓泡塔研究中的出，所以他所用的塔板比较小而且同时出1 2 1 堰比较高， 这与实际应用存在一定的差别，他的计算结果如下： 图( 1 - 9 ) 塔板上流动计算结果( 触b d 的 王晓玲等运用c f d 模拟三维稳态筛板流体力学的取流体模型，但是由于双 流体模型本身的不完善，以及气液相间的相互作用研究不是很深入，因此计算出 的流场较测量的流场有很大偏差。 1 2 4 塔板流场计算模型总结 拟单相模型的优点是简单明了，只求解液相的n a v i e r - s t o k e s 方程。但是，拟 单相模型单纯把上升气相的影响在一定假设后以源项的形式体现在液相的输运 方程中，毕竟简化了塔板上的两相流动，与实际还是有一些不符的。混合模型一 般运用得较少，因为它既不如拟单相模型简单，又不如双流体模型精确但是在 第一章文献综述 定的场合也有其价值。在三种模型中，双流体模型最精确，但相应地，所花的 代价也最大。 1 3c f d 软件综述 c f d 技术艰深的理论背景与流体力学问题的复杂多变阻碍了它向工业界推 广。一般工程技术人员很难较深入地了解这门学科，由专家编制的程序用起来不 容易，因为总有不少条件、参数要根据具体问题以及运算过程随时做出修改调整， 若不熟悉方法和程序，往往会束手无策，此外，前、后处理也显得十分棘手。 c f d 研究成果与实际应用的结合成为极大难题，这一切曾使人们对c f d 的工程 应用前景产生疑虑。在此情况下，通用软件包应运面生，使c f d 计算变得方便、 简单。 c f d 软件一般包括三个主要部分：前处理器( 建模，网格生成等) ，解算器( 具 体的数值运算) 和后处理器( 运算结果的具体演示) 。常见的c f d 软件 有：f l u e n t ，p h o e n i c s ，c f x s t 剐r c d ，f i d a p 等。除了通用的c f d 软件，还 有一些专门c f d 软件。例如f l u e n t 公司开发的专门对搅拌槽进行模拟的软件 刈i x s i m 。 以f l u e n t 公司开发的f l u e n t 为例，它可计算从不可压缩( 低亚音速) 到轻 度可压缩( 跨音速) 直至高度可压缩( 超音速) 流体的复杂流动问题。f l u e n t 本身 所带的物理模型可以准确地预测层流、过渡流和湍流，多种方式的传热和传质， 化学反应，多相流和其它复杂现象。它可以灵活地产生非结构网格，以适应复杂 结构。并且能根据初步计算结果调整网格。前处理软件g a m b i t 提供了多方位的 几何输入接口。计算采用有限体积方法。通过图形后处理软件，可以得到二维和 三维图象，包括速度矢量图、等值线图( 流线图、等压线图) 、等值面图( 等温面和 等马赫面图) 、流动轨迹图、并具有积分功能，可以求得力和流量等。 本课题主要选用其g a m b i tv 2 3 1 6 作为模型建立和网格生成工具，以 f l u e n tv 6 2 1 6 作为求解工具。 1 4c f d 最新进展 传统的计算流体力学方法一般都是基于流体的宏观连续介质假设，运用传统 的连续建模思想假设流体连续分布于它所占据的区域，相应的物理量( 流速、密 度等) 均是时间和空间的光滑函数，利用基本守恒律( 质量，动量和能量守恒) ，建 立流体力学方程组( 连续方程、n - s 方程和能量方程) 。运用数值离散化方法求解 1 4 第一章文献综述 连续的n s 方程。 l a t t i c eb o l t z m a n n 方法( ( l b m ) 是一种空间和时间离散介于连续与离散之间的 数值方法( 宏观上它是离散化方法，微观上则是连续方法) 。它是基于对流体的微 观