（化工过程机械专业论文）大口径复合式气体分布器流场cfd模拟和实验研究.pdf

摘要 复合式气体分布器由双切向环流式气体分布器和双列叶片式气体分布器组 合而成，是一种应用于大入口直径的大型塔设备上的气体分布装置，其性能优劣 对塔器的分离效率和产品质量有重大影响。本文以应用于焦炉气c 0 2 吸收塔气 体进口，塔径为6 2 0 0 m m ，入口直径为3 0 0 0 m m 的复合式气体分布器为研究对象， 采用了实验与计算流体力学模拟相结合的研究方法，对流经复合式气体分布器的 气相流场进行了较系统和深入的研究。为大直径大口径气体分布器的设计提供必 要的实验数据，以及影响分布性能的主要参数。 表征气体分布器分布性能的指标有分布器压降肚、分布不均匀度m f 以及 不同截面上的平均压力、速度、湍动能、湍动能耗散率等。本文中主要针对压降 和不均匀度两个指标，就导流叶片数量n ”折流板数n b 、环板宽度w 和气体入 口内外分流比肛。等四个主要参数对分布性能的影响，进行了定量研究分析。结 果表明，在本文所选塔径和入口直径参数下：导流叶片数量n 。对分布性能影响 甚微，且无明显规律；折流板数n b 增加，压降变化很小，不均匀度先减小后增 大，但变化幅度很小；环板宽度w 增大，压降和不均匀度均先减小后增大， 、= 5 0 0 m m 时分布性能最好；气体入口内外分流比“。增大，压降逐渐减小，不均 匀度先减小后增大，“。= 4 时分布性能最好。 另外，针对影响复合式气体分布器性能的因素对其进行了结构改进，包括改 变内分布器上盖板位置、改变外分布器环板位置、环板上开均布圆孔、环板上开 环形孔、直接去除环板、去除环板且翻转折流板、内筒前部开条形孔、内筒后部 开条形孔、盖板上开三角形孔、增设内折流板和增设翻转的内折流板等，共十一 种尝试。结果发现，环板下移、环板开孔或直接去除环板的结构变化，会使分布 性能有较大的改善；盖板下移、盖板开孔和内筒前部开孔，则只能使分布性能略 有好转；而其余内简后部开孔和增设内折流板的形式，反而会使得分布性能恶化。 为验证模型与软件的可靠性，本文中对装有复合式气体分布器的实验塔内的 气相流场进行了实验测定，并与相同条件下的模拟结果进行了对比，两者吻合较 好。从而验证了c f d 模拟软件的可靠性，也就验证了以上结论的可靠性。 关键词：复合式气体分布器，数值模拟，气体分布，计算流体力学 a bs t r a c t t h ec o m b i n e dg a sd i s t r i b u t o ri sm a d eu po ft h et w i n 7 r a n g e n t i a la n n u l a rf l o w g a sd i s t r i b u t o ra n dt h e1 w o - l i n ev a n eg a sd i s t r i b u t o r i t sa ni m p o r t a n tg a s d i s t r i b u t i o nd e v i c es e n ，i c e sf o rl a 唱e s c a l et o w e r sw i ml a 唱e - d i a m e t e ri n l e t i t s p e r f - o m a n c e i s d i r e c t l y r e l a t e dt 0 s e p a r a t i o ne 衔c i e n c y a n df i n a i q u a l i t i e s o f p r o d u c t i o n s i nt h i sp a p e r b o t hm e t h o d so fe x p e r i m e n ta n dc o m p u t a t i o n a lf l u i d d y n 锄i c s ( c f d ) a r eu t i l 泣e dt os t u d yt h ep e r f o m a n c eo f t h ec o m b i n e dg a sd i s t r i b u t o r i na6 2 0 0 m m d i a m e t e rc o l u m nw i t ha3 0 0 0 m m - d i a m e t c ri n l e t a sar e s u l t ，m a n y d e t a i l e ds y s t e m i cd a t aa n dp i c t u r e sa r eo b t a i n e dt od e s c r i b et h eg a sn o wt h a tp a s s e d t h r o u 曲t h ec o m b i n e dd i s t r i b u t o r t h er e s u l ti sa v a i l a b l ef o rs t m c t u r a lo p t i m i z a t i o no f l a 唱ei n l e tg a sd i s t r i b u t o r s t h eu n i f o m i 够o ft h eg a sf l o wt h r o u 曲t h ep a c k i n gi sa s s e s s e db ym e a n so fa m a l - d i s t r i b u t i o nf a c t o r ，m f t b g e t h e rw i t ht h eo t h e ri n d i c a t o r s ，s u c ha sp r e s s u r e ， p r e s s u r ed r o p ，v e l o c i 吼t u r b u l e n tk i n e t i ce n e 唱y ，t u r b u l e n td i s s i p a t i o n r a t e ，t h e p e 雨m a n c e o ft h ec o m b i n e dg a sd i s t m u t o rc a nb eo v e r - a l l 哪e t e d t h ei n f l u e n c eo f t h eq u a n t i 妙o fv a n e sa n db a m e s ，w i d t l lo ft h ea n n u l a rp l a t ea n ds p l i tm d i oo nt h e p e 墒m l a n c eo f t h eg a sd i s t r i b u t o ra r er e s e a r c h e da n dt h ef o l l o 、e dr e s u l t sa r co b t a i n e d t h e r ea r en oo b v i o u sc h a n g e sf o rp r e s s u r ed r o pa n dm a l - d i s t r i b u t i o nf a c t o rw h e nt h e q u a n t i t yo fv 锄e s 锄db a f f l e si n c r e a s e w i t ht h ew i d e n i n go ft h ea n n u l a rp l a t e ， p r e s s u r ed r o pm c r e a s e s ，w h i l em a l d i s t r i b u t i o nf a c t o rg o e su pa n dt h e nd o 、n t h e i n c r e a s i n gs p l i t r a d i oc a u s e sa d e c r e a s i n gp r e s s u r ed r o p 柚d 粕i l l v e r s e m a l d i s t r i b u t i o nf a c t o rc h a n g ec o m p a r e dw i t ht h ew i d e n i n go ft h ea n n u l a rp l a t e w h e nn l ew i d t ho fa n n u l a rp l a t ei s5 0 0 m ma n ds p l i tr a d i oi s4 ，t h ep e r f b m l 锄c eo ft h e g a sd i s t r i b u t o rr e a c h e st h eb e s t a d d i t i o n a la t t e m p t sw e r ea l s 0m a d et oi m p r o v et h eb a s i c 鲔r u c m r eo fc o m b i n e d g a sd i s t r i b u t o r t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep e r f l o m a n c ew i l lb eb e t t e rw h e nt h ea n n u l a r p l a t ei sm o v e dd o w n o ro p e nh o l e so ni te v e nw i p ei to f fc o m p l e t e l y t h ep e r f o r n a a n c e w i l ld e t e r i o r a t ew h e nh o l e sa r eo p e n e do nr e a n v a r di n n e rc y l i n d e ro ra d d i t i o n a l i r n l e r b a f f l e sa r ea d d e d t h eo t l l e ri m p r o v e m e n t ss u c ha l sm o v i n gd o 砌t h ec o v e rb o a r d ， o p e n i n gh o i e so n i to rt h ef 如n ti n n e rc y l i n d e rw e r ef o u n dw i t h o u te a e c to nt h e p e r f b r n l a n c e i na d d i t i 。n ，f l 。wf i e l do fa i r l i 刚i s t r i b u t o rw a s m e a s u r e di no r d e rt 。t e s tt h e r e l i a b i l i t ya n dv e r a c i t y 。fm 。d e la n ds 。厅w a r e t h e c 。m p a r i s 。nb e t 、v e e ne x p e r i m e n t r e s u l t 8a n ds i m u l a t i o nr e s u l t sr e v e a l s as o u n dc o r r e s p o n d e n c eb e 眦e nt h et e s t e da n d t h es i m u l a t e d ，a sw e l l a st h e 蜘b 嘶f o r t h er e s u l t st od 胁a n e n g i n e e r i n gd e s i g t l k e yw 。r d s ：c 。m b i n e dg a sd i s t r i b u t 。r ， n u m e r i c a ls i m u l a t i 。n ， g a sd i s t r i b u t i 。n c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n 锄i c s 刖昌 作为一种气液接触传质装置，填料塔的应用已有百余年历史，其应用之广不 言而喻。然而，上世纪6 0 年代后，由于板式塔的出现和填料塔本身放大效应、 壁流效应的存在减缓了其发展。近2 0 年来，随着高空隙率、低阻力的新型填料 的成功研发与应用，现代填料塔技术已经逐步取代了传统填料塔，并部分代替了 板式塔，再次以其效率高、压降低、持液量小、构造简单、安装容易、投资少等 优点，广泛应用于石油、化工、化纤、轻工、制药及原子能等工业生产中【1 - 3 】。 目前，大直径、浅床层填料塔的应用日益广泛，其塔内气体均匀分布问题也 越来越受到研究者的重视。如果气流偏流，会大大降低填料塔的分离效率，使产 品质量下降；进料段上升气流中夹带过多的液滴也会降低产品的质量，进料分布 器结构不良会使阻力过大，造成全塔操作不正常。因此，良好的气体分布器的设 计成为解决上述问题的关键【4 j 。近年来，世界许多学者和公司致力于气体分布器 的研发，并且取得了较大的成果。例如，双列叶片式气体分布器，美国g l i t s c h 公司研制的切向环流式气体分布器，以及由清华大学在此基础上研发的双切向环 流式气体分布器，由天津大学化学工程研究所研发的带导流器和捕液吸能器的双 切向环流式进气初始分布器，由天津大学研发的辐射式进气初始分布器等。这些 结构都在填料塔的大型化中发挥了重要作用，其应用也越来越广。 然而，对于气体入口直径非常大( d d 0 5 ) 的填料塔，现有常用的气体 分布器不能达到理想的气体分布效果，为此本文中将双列叶片式气体分布器和双 切向环流式气体分布器稍加改变组合在一起，形成复合式气体分布器，以期具有 良好的分布性能。 研究气体分布器通常采用实验研究的方法，即测定通过气体分布器的气相流 场的分布。然而，实验测量成本高，测量规模和测量点有限，测量误差相对较大， 对速度等矢量不能准确测量其方向。计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i d d y n a m i c s ，简称c f d ) 方法正好可以弥补以上缺点，它是利用数值方法通过计算 机求解描述流体运动的数学方程，揭示流体运动的物理规律，研究定常流体运动 的空间物理特性和非定常流体运动的时一空物理特性。近年来，随着计算机技术 的飞速发展和一些计算流体力学商用软件的成功开发，使得计算流体力学方法广 泛应用于航天、汽车、建筑、船舶、机械、化工等领域【5 。 本文中主要采用c f d 模拟，并辅以验证性实验的方法，对复合式气体分布 器的分布性能进行研究。对于分布器分布性能的表征，主要有压降p 、不均匀 度m f 、平均压力卢、平均速度矿、湍动能以及湍动能耗散率等指标，本文研究 中主要采用前两种作为定量指标，其它几种作为辅助性的定性指标。 影响复合式气体分布器分布性能的因素有很多，本文主要就导流叶片数量 n ，、折流板数n b 、环板宽度w 和气体入口内外分流比“等四个主要结构参数对 分布性能的影响展开研究与讨论，以确定对复合式气体分布器分布性能起决定性 作用的因素，以及每个因素的最优值。此外，便是对复合式气体分布器进行结构 改进，本文中对其进行了包括环板下移、环板开孔、设置内折流板等在内的多种 结构改进的尝试，以期为复合式气体分布器的结构优化提供必要的数据和一些有 效的途径。 第一章文献综述 第一章文献综述 近几十年来，填料技术发展迅速并日益成熟，这使得大型填料塔在工业生产 中的地位又重新重要起来，其在生产实际中的成功应用也越来越广泛。然而，对 于一座性能良好的填料塔而言，填料本身的性能固然重要，但与之匹配的塔内件 ( 尤其是液体分布器和气体分布器) 也至关重要，否则便会成为填料塔整体性能 的瓶颈，严重降低填料塔的整体性能。气体分布器的性能优劣会直接影响到塔的 分离效率和产品质量，特别是对于大直径、浅床层的填料塔，气液初始分布非常 重要，往往会成为一座填料塔能否成功应用的关键【8 i o 】。 在填料塔的应用过程中，液体分布器的性能研究首先成为大多数科学工作者 的研究对象，几十年来，国内外许多学者在液体分布器的性能研究方面做了大量 的工作，进行了大量的基础理论研究，并研制出诸多结构合理、性能优良的液体 分布器结构i l 卜怕j 。然而，对气体分布器的重要作用的认识，却是近十几年来才开 始的，随着大孔隙率、低压降新型高效填料的开发和大直径、浅床层填料的使用， 气流在诸多塔内件的影响下会自然均匀分布的观念己然为人们所摒弃，人们对气 体初始分布的研究越来越多。 1 1 气体分布器简介 8 0 年代之前，由于填料塔塔径规模的限制，加之人们对气体初始分布重要 性的认识不足，常常采用一些结构简单的进气结构，如直管式、向上或向下开口 等。随着人们对气体分布重要性的认识的不断深入，进气结构的设计也越来越复 杂，逐渐出现了塔内增设均布栅格组、设置气流导向叶片等新型结构来均化气体 的初始分布。近年来为进一步改善塔内气体的分布，提高传质效率，又有诸多性 能优良的气体分布器相继研发出来。 优良的气体分布器应具备下列特点【17 】： ( 1 ) 气流分布均匀性好，即能使水平入塔的气体在全塔截面上保持相同的上 升速度； 、 ( 2 ) 压降低，也即要求其流动阻力小，减少冲击，尽量减少能量损失； ( 3 ) 所占空间小，节约体积； ( 4 ) 能有效防止雾沫夹带现象； ( 5 ) 操作可靠性高，不易结焦和堵塞； 第一章文献综述 ( 6 ) 结构简单，制作、安装方便。 以上性能要求之中，以均布性能和流动阻力为评价分布器分布性能的主要指 标。 1 1 1 气体分布对填料塔性能的影响 塔内气体的均匀分布( 尤其是进口气流的初始分布) 对大型填料塔的分离效 率、产品质量都有重大影响。性能优良的气体分布器不仅能削弱由于气流导入造 成的不均匀分布的影响，而且能大大降低系统的均布阻力。进十几年来，一些研 究者对气体的初始分布及其对填料塔中气液均布的影响做了多方面的实验研究。 k a 6 0 b 【1 8 】对4 5 2 0 m 填料吸收塔( 乙醇胺吸收c 0 2 ) 进行了测试，测试 塔采用的进气结构为侧向进气。实验发现，由于气体偏流，使得塔内气体沿径向 分布不均匀，导致填料床中气体分布不均匀。而且这种不均匀性不仅影响填料层 下段填料，还波及h = 1 5 1 6 m 的整个床层。测试中还发现，靠近进气口半边塔的 传质效率较另半边高3 0 。 e i d n e 一1 9 】用8 0 0 m m 塔进行实验，填料为拉西环，在填料层高度1 0 0 m m 处 取测试点，发现塔截面不同点处的气速差别可达3 倍之多。这必然使某些地方的 速度远超过平均值，进而引起液泛。这种局部液泛一旦发展会引起全塔液泛，使 整个塔的正常操作被破坏。 k o u r i 【2 0 】等在中5 0 0 m m 的塔内，研究气、液分布器对填料层内气液分布的影 响。实验结果显示：1 ) 气流初始分布均匀时，无论散堆填料( p a l lr i n g ) 还是规整填 料( b xp a c b n g s ) ，填料床层内的气流分布不再受填料高度和气、液负荷的影响， 液体的壁流现象也有所减弱；2 ) 气流初始分布不均时，液体的壁流和沟流现象严 重，液流分布变差，进而影响气液传质与分离效果。 综上所述，气流的初始分布是影响全塔的正常操作和分离效率的重要因素， 合理的气体分布器设计非常重要。 1 1 2 早期的进气结构 常见的进气结构大致有图1 1 所示几种【2 1 2 2 】： 研究表明，进气结构、填料支撑结构及气相进口中心线到填料支撑距离是影 响气体分布的重要因素。 ( 1 ) 直径小于2 0 m 时，可以采用图1 1 所示的几种进气结构。其中，向下 开缺口的结构效果最好，弯管次之，斜口直管最差。 ( 2 ) 进气管件伸入塔中长度增加，塔内气体分布变差。 ( 3 ) 进气管直径变大，塔内气体分布有所改善。 第一章文献综述 ( 4 ) 若无气体分布装置，进气管到填料支撑的距离最好大于2 倍的塔径。 图1 1 气体进塔方式 f i g l 一1p a t t e m0 f g a se n t r a n c e ( a ) 直管段进口；( b ) 斜口；( c ) 向下开缺口；( d ) 弯管 ( a ) s t r a i 曲tp i p e ；( b ) s l a n t i i l gi n l e t ；( c ) d o w n w a r di i l l e t ；( d ) b e n di n l e tp i p e 当简单的进气结构不能满足均布要求时，塔内可增设均布格栅或其它均布装 置。合理地设置均布格栅，可以改善填料层入口端气流的均布性能。格栅的均布 作用与其几何参数、开孔率、板厚等有关。 1 1 3 典型气体分布器结构及性能 随着填料塔的大型化发展，近十几年来，国内外许多学者致力于气体分布器 的研发，开发出了多种形式、功能齐全的气体分布器【2 3 猫】。目前，工业生产中常 用的气体分布器有以下几种类型：多孔直管式、直管挡板式、切向号角式、单切 向环流式、双切向环流式、双列叶片式等。 第一章文献综述 图1 2 多孔直管式 f i g1 - 2p e r f o “n e di n l e t 图1 3 直管挡板式 f i 9 1 - 3s 仃a i 曲ti l l l e tw 弛b a f f l e 多孔直管式是目前炼油减压塔中最常用的一种形式，其结构见图1 2 。进气 管延伸至塔中央，管下方开长条孔，气体从孔中喷出，再折返向上。此时塔壁处 气速较高，管上方有一旋涡，该分布器局部孔速较高，阻力很大。 直管挡板式是为了减小冲击而在直管中夹有向下的弧形挡板，其结构见图 1 3 。气速分布与多孔直管相似，但若气液两相进料，液体在入口处下落较多。 图1 4 切向号角式 f i g l - 4t 锄g t i a lh 伽 图1 5 单切向环流式 f i 9 1 5t 钿g 锄t i a l 锄u l 盯f l o w 切向号角式是减压塔中常用的结构形式，其进气管切向进入塔内，管口有向 下倾斜的号角形导流罩，其结构见图1 4 。气体混合物高速切向进入渐扩的喇叭 口，进入塔内后沿塔壁向下旋转至塔底再折返向上运动。塔中央有一向上的气旋， 由于离心力的作用，雾沫夹带为零，阻力很小。但喇叭口的倾角要适当，否则液 面将上移至进气口，使全塔发生震动。 第一章文献综述 单切向环流式是一种最初由国外研发的气体分布器，其结构如图1 5 。该分 布器切向进料，气液流体进入环形流道后，依次被弧形叶片导流向下，又折返向 上流入套筒内，中心处气速较高，液体受离心力的作用沿塔壁流下，雾沫夹带几 乎为零，分布器阻力较小，但入口管中高速两相流的阻力较大。 图1 6 双列叶片式 f i g l 61 w o l i i l ev 锄e 图1 7 双切向环流式 f i 9 1 - 71 w i i l - t a n g 即t i a l 锄n u l a rn o w 双列叶片式气体分布器结构上与s h e l l 公司的产品s c h o e p e n t o e t e r 类似，近 年来一直被国内的设计者引用或改进，最大可用于直径1 0 o m 以上的塔中，其基 本结构简图见图1 6 。物料径向入塔，进口两侧有两列导流弧形叶片，其顶部、 底部均封闭，气流沿两列叶片左右分开，冲向塔壁并折返向上，故两侧边气速较 高，中间部分气流向下，有旋涡。其特点是先将气体沿水平方向分布然后向上流 动，在塔内的占位较低。而双切向环流气体分布器内则是气体先向下流动再折返 向上，因此分布器下方需要一段空间以避免对塔釜液位的扰动，造成操作时液位 不稳定。 双切向环流式气体分布器是一种由美国g l i t s c h 公司研制的较新型的分布 器，最大可用于直径1 0 0 m 以上的塔中，其结构见图1 7 。该分布器物料以径向 进入塔体并被导流板分成两股，分别沿内筒进入环形通道，依次被弧形叶片导向 下方，然后折返向上。该分布器阻力较小，雾沫夹带也较小，气流分布较均匀。 1 1 4 气体分布器性能研究现状 董谊仁对侧向进气分布器、径向分布器、格栅分布器的流畅均布性能进行了 对比1 2 9 1 。实验结果表明，对于这三种分布器，侧向进口简单，但容易偏流，在 大型塔中难以实现气体均布性能，而且所需的塔底空间大，阻力也较大。相对而 第一章文献综述 言，格栅分布器结构紧凑，均布性能较好，是一种较好的进气分布器。董谊仁还 给出了平面均布格栅的设计方法，但没有从理论上描述气体分布情况。 m u i r 【2 2 】对3 6 种进气结构的分布性能进行测试后认为，双切向环流分布器性 能最好，并且两个进口比一个进口的分布更均匀；导流板上方覆盖一圈挡板能有 效改善气体分布。 潘国昌【3 0 】等曾系统地从气体的流动情况、气体分布不均匀度m f 、雾沫夹带 率e ，和分布器压降a p 几个方面，对七种进气分布器的性能进行了研究。各种分 布器的性能比较见表1 1 。 表1 1 各种分布器性能比较 t a b l e1 1c o m p 撕s o n so fp e r f b m a n c eo fd i 艉r e n tg a sd i s 舶u t o r s 分布器 abcdef g m f 2 o2 o1 9 7o 5 20 3 71 8o 3 3 只，1 l 5 31 3o0o 1 o 60 p ( 忍l 2 7 4 0 8 4 3l o4 9 1 53 02 1 6 ( 注：a 为多孔直管式，b 为直管挡板式，c 为切向号角式，d 为单切向环流式，e 为双 切向环流式，f 为双列叶片式，g 为带格栅的倾斜双列叶片式) 从表1 1 中可以看出，双切向环流分布器具有较好的均布性、较小的雾沫夹 带和阻力。 1 1 5 大口径气体分布器的应用及其特点 在焦炉气c 0 2 吸收塔等设备的设计中，要求气相的入口直径非常大，通常 能够到达塔径的o 5 倍。此时，采用常见的气体分布器结构就很难达到理想的分 布效果，为此，将双列叶片式气体分布器和双切向环流式气体分布器相组合，构 成一种新型复合式气体分布器，其结构如图1 8 所示： 从图中可以看出此复合式气体分布器包括在其侧壁上沿其径向开有进料口 的内筒、焊接在所述的内筒顶端的顶端环板，在所述的内筒内部沿所述的进料口 的方向设置有其横截面从大至小变化的梯形的双列叶片导流装置，所述的双列叶 片导流装置包括以所述的进料口纵轴截面为对称面对称的设置在其两侧的左右 两列至少一层导流叶片，所述的相邻层的上下导流叶片之间分别通过左右连接板 相连、所述的顶层和底层的导流叶片分别与上下盖板相连、所述的上下盖板以及 左右连接板，通过螺栓与所述的顶端环板相连，多块折流板以内筒的中心截面为 对称面相互对称地连接在内筒的外壁上。 第一章文献综述 图1 - 8 复合式气体分布器结构图 f i gl 一8s 臼1 j c n l r eo f n l ec o m b i f l e dd i s t r i b u t o r ( 注：l 与3 为顶端环板，2 为内筒，4 为折流板，5 为导流叶片，6 为上下盖板，7 为 连接板) 分析其结构可得，此分布器具有以下特点： ( 1 ) 气体在外流道中的折返流使得只有一部分气体经折流板4 的导流变向， 和塔底相碰撞变向通过内筒2 向上流动，所以可以大幅度的降低气体流动过程产 生的压降。 ( 2 ) 其中的折流板4 的长度是由距进料口的远近决定的，离进料口近的折流 板4 短，即其圆弧形叶片和顶端环板3 的距离大；反之，离进料口远的折流板4 长，即其圆弧形叶片和顶端环板3 的距离小。这种轴向层次化分布的折流板4 可以使气体在导流以后径向分布更加均匀。 ( 3 ) 双列叶片导流装置内腔呈梯形，离进料口近处宽度大；反之，离进料口 远处宽度小，这种梯形结构可以使得离进料口不同距离处的压力尽量相等，从而 保证气流均匀。 ( 4 ) 导流叶片5 ，其直板部分安装时沿与进料口的轴线方向呈8 。一1 2 。设 置，然后经过弧形部分的导流以近似垂直与进气方向的方向流出，从而保证气流 的径向均匀性。 1 2 计算流体力学简介 本文中对复合式气体分布器的研究，主要采用计算流体力学模拟的方法。所 谓计算流体力学模拟，即通过计算机数值计算和图象显示，对包含有流体流动和 热传导等相关物理现象的系统进行分析。其基本思想可以归结为：把原来在时间 域及空间域上连续的物理量的场，如速度场和压力场，用一系列有限多个离散点 9 第一章文献综述 上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变 量之间的关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值1 3 1 】。 c f d 可以看作是在流体流动基本方程( 质量守恒方程、动量守恒方程、能 量守恒方程) 控制下对流动的数值模拟。通过这种数值模拟，我们可以得到极其 复杂的流场内各个位置上的基本物理量( 如速度、压力、温度、浓度等) 的分布， 以及这些物理量随时间的变化情况，确定漩涡分布特性、空化特性及脱流区等。 还可据此算出相关的其它物理量，如旋转式流体机械的转矩、水力损失和效率等。 此外，与c a d 联合，还可进行结构优化设计掣3 2 】。 1 2 1 计算流体力学的基本方程 受物理守恒规律支配，流体流动的基本守恒定律包括：质量守恒定律、动量 守恒定律、能量守恒方程。如果流动处于湍流状态，系统还要遵守附加的湍流输 运方程。控制方程就是这些守恒定律的数学描述。 质量守恒方程： 害+ v ( 历) = s 。 质量守恒方程也称连续方程，任何流动问题都必须满足质量守恒定律。源相 是从分散相到连续相的质量增量，源相也可以是任何自定义源相。 对于不可压缩流体的稳态流动，p 为常数，最= o ，式( 1 - 1 ) 变为： 动量守恒方程： v ( 厅) = o ( 1 2 ) 昙( 厕) + v ( 厕) = 一跏+ v ( f ) + 庸+ 户 ( 1 3 ) 动量守恒方程也称为运动方程或n a v i e r - s t o k e s 方程，也是任何流动系统都 必须满足的基本定律。式中p 为静压，f 为应力张量，庸和户分别为重力体积 力和外部体积力。 1 2 2 c f d 方程及模型 目前，处理湍流数值模拟的方法很多，大致分为直接法( d i r e c t o r yn u m e r i c a l 第一章文献综述 s i m u l a t i o n ，d n s ) 和非直接法。 d n s 方法就是直接求解瞬时n s 方程，不作任何简化，获取全部信息，理 论上可得准确结果【3 3 3 引。但对计算机要求非常高，无法实现工程应用。 非直接法又包括几种方法：雷诺平均法( r a n s ) 、大涡模拟法( l e s ) 和统计平 均法。 统计平均法是基于湍流相关函数的统计理论，主要用相关函数及谱分析来研 究湍流结构，统计理论主要涉及小尺度涡的运动。这种方法在工程上的应用不很 广泛。l e s 方法的基本思想是用瞬时的n s 方程直接模拟湍流中的大尺度涡， 不直接模拟小尺度涡，而小涡对大涡的影响通过近似的模型来考虑。该方法对计 算机内存和c p u 速度的要求也比较高，但低于d n s 方法。随着计算机硬件条件 的提高，对大涡模拟方法的应用和研究呈明显上升的趋势，成为目前c f d 领域 的一大热点【3 5 - 3 7 1 。 现阶段应用最多的还是r a n s 方法。该方法的核心是不直接求解瞬时的n s 方程，而是想办法解决雷诺平均n s 方程。这样不仅可以避免d n s 方法计算量 大的问题，而且对工程实用有很好的效果。r a n s 是目前使用最广泛的湍流数值 模拟方法。公式( 1 3 ) 中雷诺应力一p “4 ：是新加的未知量。要使方程组封闭，必 须对雷诺应力做出某种假定，即建立应力的表达式( 或引入新的湍流模型方程) 。 由于没有特定的物理定律可以用来建立湍流模型，所以目前的湍流模型只能以大 量的实验观测结果为基础。 p ( 鲁+ 考) = 一鸶+ 毒 ( 考+ 考 - p 珥 + 以 c 根据对雷诺应力做出的假定或处理方式不同，目前常用的湍流模型有两大 类：雷诺应力模型( r e y n o l d ss t r e s se q u a t i o nm o d e l ，简称r s m ) 和涡粘模型。 ( 1 ) 雷诺应力模型 雷诺应力模型直接构建表示雷诺应力的方程。雷诺应力方程是微分形式的， 称为雷诺应力方程模型。若将雷诺应力方程的微分形式简化为代数方程的形式， 则这种模型称为代数应力方程模型。我国著名科学家周培源教授就提出了雷诺应 力输运方程组，后来逐步完善，形成了完整的雷诺应力模型【3 8 】。 ( 2 ) 涡粘模型 在涡粘模型的方法中，不直接处理雷诺应力项，而是引入湍动粘度，然后把 湍流应力表示成湍动粘度的函数，整个计算的关键在于确定这种湍动粘度【3 9 1 。 湍动粘度的提出来源于b o u s s i n e s q 提出的涡粘假定，该假定建立了雷诺应力 第一章文献综述 相对于平均速度梯度的关系，即： 一p 弼= 以( 考+ 等) _ 詈( 肚+ 喀p m 5 ， 式中肛为湍流粘度。它不是介质的物性常数，它与湍流的平均场有关。模 型的任务就是给出计算湍流粘性系数以的方法。根据建立模型所需要添加的微 分方程的数目，可以分为零方程模型，单方程模型和双方程模型。 1 2 3 双方程湍流模型 实际应用中使用最为广泛的是双方程模型，包括标准七一s 模型、r n g 尼一占 模型和r e a l 讫a b i e 七一占模型。 ( 1 ) 标准七一占模型【删 标准j j 一占模型是典型的双方程模型，该模型是目前使用最为广泛的湍流模 型。标准| | 一s 模型是由l a u n d e r 和s p a l d i n g 于1 9 7 2 年提出的。标准后一占模型是 个半经验公式，主要基于湍流动能和扩散率。七方程是个精确方程，占方程是个 有经验公式导出的方程。在模型中，表示湍动能( t u r b u l e mk i n e t i c 朗e 固，) 的j i 定 义为： 1 七2 云“，吩 表示湍动能耗散率( t u r b u l e n td i s s i p a t i o nr a t e ) 的s 定义为： 湍动粘度鸬可表示为： 。一，乩f 乩f占= y o j a x j 瓠j 七2 以2o 。一 占 ( 1 6 ) ( 1 - 7 ) ( 1 - 8 ) 在标准七一占模型中。| | 和占是两个基本未知量，与之相对的输运方程为： 第一章文献综述 等= 毒 c 以+ ) 差 - 弼考一占 m 9 ， 鲁= 毒 匕+ 妻 - e 。妻珥考一e ：譬 m 。， 式中巴，e l ，e 2 是常量，吒是湍流p r a n d t l 数，各常数可选用l a u n d e r 和 s p a l d i n g 的推荐值： 巳= 0 0 9 ，吒= 1 3 ，c l = 1 4 4 ，e 2 = 1 9 2 标准j i 一占模型是针对湍流发展非常充分的湍流流动建立起来的，所以是一 种针对高r e 数的湍流计算模型，对r e 数较低的流动使用上面建立的七一占模型 进行计算就会出现问题。这时，常采用壁面函数法或低i 沁数的尼一占模型来解决 近壁区的流动计算及低r e 数的流动计算问题。同时标准j j 一占模型在用于强旋 流、弯曲壁面流动或弯曲流线流动时，会产生一定的失真。 为了弥补标准七一模型的缺陷，许多研究者提出了对标准七一占模型的修正 方案。应用较广泛的有i w g 七一s 湍流模型和r e a l i z a b l e 后一占湍流模型。 ( 2 ) r n g 七一s 模型【4 i 】 r n g 七一占模型是由y a l ( 1 1 0 t 和。佗a g 提出的，该模型中的r n g ( r e n o m a l i z a t i o ng r o u p ) 意为重整化群。 在r n g 七一占模型中，通过在大尺度运动和修正后的粘度项体现小尺度的影 响，使这些小尺度运动有系统地从控制方程中去除。得到i 方程和g 方程如下： 其中， 掣+ 掣= 孙砌卦q + 伊 m 掣+ 掣= 考- 衔考 + 譬一g ；p 譬 m 2 ， h 啦2 l 七p t ( 卜1 3 ) ( 1 - 1 4 ) ，一 3 静 一 q = 第一章文献综述 = 4 3 7 7 ，= o 0 1 2 ，刁= 洲s 方程中和叹是尼和占有效p r a n d t l 常数的倒数，其值可由下式得到， i 口一1 3 9 3 9l n 6 3 2 1 i 口+ 2 3 9 2 9i l 口一1 3 9 3 9li 口+ 2 3 9 2 9l i 一1 3 9 2 9 ll + 2 3 9 2 9 i 方程中的有效粘度吻可由下式求得： ：丝丛 皤 文等 = 1 7 2 舞蠹d 痧 m ，6 ， 其中e 1 0 0 ，痧= 鳓肚 r n g 七一占模型比标准j i 一s 模型更准确和可靠，它特别适用于模拟分层流、 环流、在弯曲集合体内的流动、涡旋流、剪切层不稳定的流动、低p r a n d t l 数流 体的传热、低r e 数流体流动或过渡流。 需要注意的是，r n g 七一占模型仍是针对充分发展的湍流有效，即是高r e 数的湍流计算模型，对于近壁区流动及r e 数较低的流动必须使用壁面函数法或 低r e 数的| j 一占模型来模拟。 ( 3 ) r e a l i z a b l e 七一占模型【4 2 】 r e a l i z e d 七一湍流模型由s h i h 提出，与标准七一s 模型和i g 七一占模型的区 别在于c ，不再是常量。r e a l i z e d 七一s 湍流模型已被有效用于不同类型的流动模 型，包括旋转均匀剪切流、自由流中包括喷射和混合流、管道内流动和边界流动、 以及带有分离的流动等。这种模型比标准后一占模型要好，尤其需要注意的是这 种模型可以解决圆柱射流。比如，它预测了轴对称射流的传播速率，和平板射流 一样。 1 3 c f d 求解过程及其在气体分布器研究中的应用 1 3 1 c f d 求解原理及步骤 求解过程主要由两部分组成：方程的离散及离散方程的求解。解的精度取决 于前者，而求解的效率则取决于两者。 方程的离散主要是对流项和扩散项的离散。对流项为非对称项，其离散方法 有一阶迎风格式、二阶迎风格式及q u i c k 格式等。扩散项为对称相，一般采用 中心差分格式。二阶迎风格式的求解精度较高，特别是对于用三角形或四面体网 第一章文献综述 格划分的模型，但一阶迎风格式比二阶迎风格式更容易收敛【4 3 4 4 1 ，因此，有时在 求解问题时，先用阶迎风格式，当问题开始收敛后，再使用二阶迎风格式以得 到更精确的解1 4 5 | 。 压力速度耦合的求解方法一般有s i m p l e ( s e m i i m p l i c i tm e t h o df o r p r e s s u r e l i n k e d e q u a t i o n ，即压力耦合方程的半隐式方法，其中半隐式是指在计 算压力修正项时省去了一个加和项，因而是部分的，而不是完全的隐式方法) 、 s i m p l e c ( s i m p l e - c o n s i s t e n t ) 及p i s o ( p r e s s u r e - i m p l i c i tw i t hs p l i t t i n go f o p e r a t o r s 压力隐式快速算子) 等。对于简单的流动类型( 例如层流) ，压力速度耦合式通常 是求解问题快慢的关键，此时，应用s l m p l e c 格式通常能加快问题的求解速度。 对于涉及湍流等复杂的模型，为了保证收敛，通常用s i m p l e 格式。当求解的问 题是时间步长较大的非稳态流动或过渡流时，一般用p i s o 格式【4 6 】。对于网格高 度扭曲的模型，不管是稳态流还是非稳态流，用p l s o 都能得到较高的求解精度。 离散方程的求解一般分为直接法和迭代法。常用的g u a s s 消去法属于直接 法。迭代法有j a c o b i 迭代法和s e i d e l 迭代法等。 在单变量离散代数方程组的求解方面，g a u s s s e i d e l 的点或线迭代是应用最 为广泛的。s t o n e 的强隐式方法也是使用较多的一种。这个方法也可通过耦合的 方式求解速度场及压力场1 4 7 j 。p h i l l i p s & s c h m i d t 在求解扩散问题时，使用了多重 网格技术，用多重网格法求耦合解是一个有效的方法。多重网格法的另一个好处 是允许在局部区域加密网格1 4 8 ，4 9 】。直接解法不存在速度与压力解耦合的困难，但 需要的存贮空间较大。 由于工程实际问题多为复杂边界，在这种情况下，使用一般曲线贴体坐标系 是方便的。这样可方便地控制物理量变化梯度大的区域内的网格密度。因此，使 用曲线坐标越来越普遍，使得应用贴体坐标求解不可压湍流流动成为计算流体力 学中的重要一环。在曲线坐标系中，正交坐标系是首选目标，这是由于方程相对 简单，计算程式与直角坐标相差不大，但正交坐标系的使用范围有限，特别是三 维情况下，正交坐标系的生成较为困难，甚至不可能。在边界面不是正交情况下， 正交坐标系甚至是不能用的。非正交坐标系在网格的布置与优化上更为灵活，若 将其中一条坐标线沿流线方向布置，则可降低对流项的斜交离散误差【5 0 1 。 计算流体力学的成功是基于将基本方程离散为代数或常微分方程的技巧上 的。s t m m e r d a 【5 1 】认为，算法的成功与否主要取决于两个因素：可积性( i n t e g r a b i l l i t y ) 及正则性( r e g u l a r 埘) 。a b d a l l a h l 5 2 j 亦认为可积性是重要的因素，但未提到正则性 的作用。有限体积离散法具有可积性，而交错网格具有正则性。a