（化学工程专业论文）降液管出口流体力学性能研究.pdf

y8 s 8 1 5 l 降液管出口流体力学性能研究 s t u d y o nt h eh y d r o d y n a m i c s o ft h e0 u t l e to fd o w n c o m e r 学科专业：化学工程 研究生：周海龙 指导教师：徐世民副研究员 天津大学化工学院 二零零四年十二月 摘要 精馏塔在现代化工设备中占有重要的地位，主要形式有板式塔与填料塔两 种，近些年来，板式塔的研究进展很快，其中板式塔研究的一个重要方面就是应 用计算流体力学对塔板上流体流动状况进行研究，降液管出口流体力学性能的研 究是进行塔板研究的一个重要因素。 本文采用计算流体力学软件f l u e n t ，针对两种不同形式的降液管出口进 行了流体力学性能研究，一种是传统弓形降液管，另一种是倾斜式降液管。 通过对降液管出口流体力学性能的研究得出降液管出口内侧及外侧流体 的流速沿不同坐标方向的变化以及液体在降液管内的混合程度。弓形降液管底 部，速度沿x 方向的变化分三个区，中心处速度较大，而沿着y 的方向，速度 在中心处较小；倾斜式降液管底部流场的速度分布与弓形降液管不同，速度沿x 方向分四个区，速度沿y 方向的分布，当流量较小时，在靠近管中心台勺区域， 速度沿y 方向基本不变，只在靠近边壁处，速度才有所减小。当流量较大时， 速度沿y 方向没有恒定段。对于两种不同形式的降液管，液体都是处于部分混 合状态，倾斜式降液管内液体混合更充分，在计算塔板效率时，可以近似认为其 内浓度是均匀的。 通过c f d 计算得出两种结构形式下，塔板入口处的速度分布。对于两种降 液管结构，塔板入口处速度不是均的，中心处速度较均匀，两边速度比较混乱。 文中把模拟的结果与实验进行了对比，结果表明，模拟的结果是可靠的。 关键词：计算流体力学， 降液管，塔板流场，塔板，f l u e n t a b s t r a c t d i s t i l l a t i o nc o l u m ni sav e r yi m p o r t a n te q u i p m e n ti nt h ec h e m i c a li n d u s t r y , i t c o n t a i n st w os t y l e s ：p l a t ec o l u m na n dp a c k i n gc o l u m n i nr e c e n ty e a r s ，t h er e s e a r c ho n p l a t ec o l u m nh a sm a d em u c hp r o g r e s s ，t h ef l u i df i e l di nd i s t i l l a t i o nt r a yi so n e o ft h e m a i na s p e c t ，b u tt h eb d r o d y n a m i c so ft h eo u t l e to fd o w n c o m e ri sa ni m p o r t a n tf a c t o r f o rr e s e a r c ho nt r a y t h eh y d r o d y n a m i c so ft h eo u t l e to ft w od i f f e r e n td o w n c o m e r sw a ss t u d i e dw i t h f l u e n t ( ac f ds o f t w a r e ) ，o n e i st r a d i t i o n a la r cd o w n c o m e r , t h eo t h e ri sl e a n d o w n c o m e r t h ep r o f i l eo ff l u i dv e l o c i t ya l o n gd i f f e r e n ta x i sa tt h eo u t l e ta n dt h ec o n d i t i o n o fm i x t u r ea tt h eb o t t o mo fd o w n c o m e rw e r eo b t a i n e df r o mt h er e s e a r c h f o rt h e t r a d i t i o n a la r cd o w ! r l c o r f l e r , t h ep r o f i l eo fv e l o c i t ya l o n gxa x i sh a st h r e er e g i o n s ，i ti s l a r g e ra tt h ec e n t e lb u ta l o n gya x i s ，i ti ss m a l l e ra tt h ec e n t e lt h e r ea r es o m e d i f f e r e n c e sb e t w e e nt h el e a nd o w n c o m e ra n dt h ea r cd o w n c o m e r , t h ep r o f i l eo f v e l o c i t ya l o n gxa x i sh a sf o u rr e g i o n s ，a l o n gya x i s ，w h e nt h ef l u xi ss m a l l ，i ti s a l m o s tu n i f o r mn c a rt h ec e n t e r ，j u s ta tt h es i d e s ，t h e r ea r es o m ew a v e s w h e nt h ef l u x i sl a r g e ，t h eu n i f o r mr e g i o ni sd i s a p p e a r e d t h ef l u i di sp a r t l ym i x e di nt h et w o d o w n e o m e r s t h ec o n d i t i o no fm i x t u r ei sm q r es u 伍c i e n ti nt h e1 e a nd o w n c o m e r , i ti s r e a s o n a b l et h a t a s s u m i n gt h ee c m c e n t r a t i o n i su n i f o r mw h e nc o m p u t i n g t r a y e m c i e n c y n e p r o f i l eo fv e l o c i t ya tt h ei n l e to ft r a yc a nb eg a i n e dt h r o u g ht h er e s e a r c h n e a rt h ec e n t e r t h ev e l o c i t yi 5u n i f o r m b u td i s o r d e r e da tt h es i d e s t h es i m u l a t i n gr e s u l t sw e r ec o m p a r e dw i t ht h ee x p e r i m e n t ；i ti ss h o w e dt h a tt h e s i m u l a t i n gr e s u l t sa r ec r e d i b l e k e y w o r d s ：c f d ，d o w n c o m e r , t h ef l u i df i e l do i lt r a y , t r a y ，f l u e n t 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，也不包含为获得苤鲞盘茎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：罔每发签字日期：2 do 岁年j 月1 1 同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫生盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁盗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：周海茗导师签名： 签字同期：2 0 0 5 - 年j 月i 【f 1 签字同期：汐多年月c1 同 第一章文献综述 1 1 降液管简介 第一章文献综述 传统的降液管有弓形和圆形两类。一般液体负荷较小，塔径较小时采用一根 或数根圆形降液管，此时为了增加溢流周边并提供足够的空间使泡沫层中气体得 到分离，常在降液管前方设置溢流堰。圆形降液管的面积很小，没有足够的空间 使泡沫层中的气体及时地与液体分离，使降液管中下流的液体充满很多泡沫，造 成气泡夹带，降低塔板效率，还容易产生液泛。降液管出口处的液封由下层塔板 的受液盘来保证。 随着石油化工生产规模的不断扩大，其设备也向大型化及高处理量发展。大 直径塔不断出现，相应的塔内件也随着工艺要求的变化，出现了许多新的结构型 式”，2 j 。国内外好多塔内件的新型设计都体现在降液管上。 新型塔板的设计特点表现在强化鼓泡面积和入口面积两方面，其目的都是为 了增大处理量，而又无需对塔做大的改动【3 。鼓泡面积的强化，主要是采用微型 的特殊固定阀和浮动阀件，可以使传统塔板的气相负荷能力提高3 0 。在这方 面有b i f r a ct r a y 、s u p e r f r a c m i n i v a l v et r a y 和n y e m i n i v a l v et r a y 等。强化入口面 积主要是充分利用降液管底下的面积，增加气相的处理能力。与传统塔相比，这 些塔板可增加2 5 处理能力，并能保持原有的效率和弹性h “。这方面有m a x f r a c t r a y 、s u p e r f r a ct r a y 、n y et r a y 、t r i t o nt r a y 和v o r t e xt r a y 等。 1 1 1n y e 塔板 普通的筛孔塔板气体通过孔上升，与流经塔板的液体相接触，因此在塔板上 就形成了1 个气液分散系。当上升的气相通过泡沫层的时候，液滴被带入接触区 上部的塔板空间。在塔板正常的操作条件下，大部分液体落回到塔板上，被气体 夹带到上层塔板的只是一些极小的液滴。液体随密集的泡沫流入降液管，在降液 管中，气液得到分离。液体流到下一层塔板，被带至降液管的气相则最终上升到 上面的塔板。 典型的n y e 塔板【6 ，7 j 见图1 1 。由于用一改选的进口板代替了降液管下面的封 闭面积，因此接触区和分离区的面积扩大了。气相进入改造区的底端被重新导向， 通过垂直面上的孔上升到上面的塔板上。降液管的底部升高，并被吊在改造区的 上面。塔板、降液管、溢流堰和塔的附属设备基本上与普通筛板或浮阀塔板相同。 第一章文献综述 图1 1 n y e 塔板 f i g1 1n y e t r a y n y e 塔板与普通塔板的不同点：( 1 ) 由于进口板垂直面上的开孔气液接触 区的开孔面积增大，故在一定的气速下，气相的孔速下降。( 2 ) 进口板垂直面 上的孔洞升高至塔板之上，因此，通过这些孔的气体会水平而不是垂直吹入气液 接触区。( 3 ) 从入口区吹来的气体给液体一个推动力，导致了水平速率的增加， 使液体从进口降液管流向出口降液管。 离区顶部的有效开孔面积增大，因此在 小。 ( 4 ) 因为消除了降液管下面的死区，分 一定的气速下，上升气体的真实速度会减 n y e 塔板优点：( 1 ) 孔速减小使气液接触区因气体高速射流造成液泛的趋 势降低。( 2 ) 分离区气速的减小，有助于液体微滴返回塔板，不易被气体夹带。 ( 3 ) 气体孔速减小，使塔板的压降减小，降液管的备件减少。( 4 ) 液体存在于 降液管时，便立即与气体分离开，通常在普通塔板上，液体流经途中前几英寸处 没有或者很少发生这种现象，因此，n y e 塔板增加了液体的有效流程约1 0 1 6 m m 。 这个特点对于多流程塔板尤其重要，因为在多流程塔板中，流程途径长达4 0 6 4 4 5 7 2 m m 。( 5 ) 处理量高，塔板改造量少，投资较低芦j 。 1 1 29 5 型大通量塔板 该塔板系南京大学开发成功的大通量塔板，其基本构思是：( 1 ) 采用月牙 型溢流堰，使其非传质区面积控制在5 以内，其通量比传统塔板通量增 3 d 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，从而提高塔板效率。( 3 ) 采用全塔板液体均分导流， 使板上液体呈活塞流状态。与n y e 塔板相比，该塔板通量高1 0 1 5 ，效率高 5 ，在国内也有成功应用的例子【1 0 】。 ，毫一蚤监。薹妻崖鬟譬落 第一章文献综述 1 1 3 带优化降液管的d o s 塔板 为了解决塔板有效利用面积受降液管面积大小限制的问题，提出了一种降液 管优化结构，见图1 2 。以开孔的塔板代替普通塔板的受液盘区，阀孔上装有浮 阀。在原受液盘的上方安装一块液封板，代替原受液盘。液封板斜面上开有舌孔， 其下缘与塔板上全开后的浮阀上缘平齐。 该塔板优点：( 1 ) 增大了塔板上有效鼓泡面积。( 2 ) 塔板上浮阀的布置 区加大，开孔面积增大，在一定通量下，孔速降低。( 3 ) 降液管底部成为气液 接触区，从液封板下方阀孔上升的气体在塔板上与液体接触后，由液封板斜面上 的舌孔及塔板与液封板的间隙中吹出，与由降液管中流出的液体进行二次接触， 同时对液体有向前的推动力，减少板上液体返混，降低液面梯度。( 4 ) 对降液 管结构采用动态液封的方式，可有效防止因塔内污垢、锈渣等颗粒积聚而堵塞降 液管，导致塔内液泛。当蒸馏塔所处理的物料不洁净、有腐蚀性或含有固体颗粒 时这一点尤为重要。 图1 - 2d o s 塔板与普通塔板 f i g 1 - 2d o st r a ya n dt h eo r d i n a r yt r a y 1 1 4 多降液管结构( m d 塔板) 筛板塔是一种应用广泛的气液传质设备，通常设计筛板塔从减少塔板阻力和 液沫夹带量着手以提高塔板处理气体负荷的能力。但是，当液气比高时，允许液 体流量将成为塔板生产能力的控制因素，为了适应高液气比的传质操作，在普通 筛板上设置多根降液管以满足大液量的要求。2 0 世纪6 0 年代，美国联合碳化物公 司开发了悬挂着多根降液管的m d 型塔板】，见图l 一3 。由于它具有高通量低压降 的独特优点，很快在工业上获得广泛应用。尤其在石油化工的轻烃分离中，可替 换一般筛板、浮阀或填料，以满足增产和节能的要求【1 2 ，”】。 第一章文献综述 ，一一 图1 - 3 多降液管筛板塔 f i g 1 3m u l t i - d o w n c o m e rt r a y 该塔板特点：( 1 ) 溢流堰周界较长，适用于液体负荷较大的操作。( 2 ) 降 液管悬挂于气相空间，在塔板上无需受液区，增加了塔板的有效传质面积。( 3 ) 增加了鼓泡区，提高了气相负荷。( 4 ) 液流路径短，塔板上几乎没有液面梯度， 气液分布均匀。( 5 ) 塔板上液层较低，塔板阻力小，泡沫层低，雾沫夹带小， 板间距小。( 6 ) 该结构的降液管增加了塔板的刚性，可以省去塔板的其它支承 机构 1 4 , 1 5 l 。( 7 ) 每相邻两板的降液管互成9 0 。排列。( 8 ) 板问距小，仅为一般 塔板的5 0 7 0 。 1 1 5 改进型m d 塔板( d j 塔板) 2 0 世纪7 0 年代初期，浙江工业大学在考察m d 塔板技术的过程中，发现m d 塔板在液流分布及传质效率方面存在不足，为此着重在基础理论和结构改善等方 面作了一系列研究，在2 0 世纪8 0 年代末开发了具有我国特色的d j 系列塔板。d j 系列塔板保持了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：( 1 ) 采用了宽矩形降液管。( 2 ) 降液管底采用了十字形、方形和宽条形 等形式，使降液管在保证自液封的前提下有较大的承液弹性。( 3 ) 对降液管的 根数和排列做了优化。研究表明，降液管根数不必随塔径增大而按比例增加，只 要加宽降液管就可减少根数，以利于液体在塔板上的良好分布。排列降液管时采 用等溢流强度原则比采用等鼓泡面积原则可获得更加良好的液流分布。( 4 ) 因 液量过大，考虑到冲击载荷，采用了平行或交叉横梁支架【l6 j 。已在工业上获得成 功应用的d j 塔板有3 种型号，d j 一1 型塔板是为了适应特大液气比的吸收操作而开 发的。 1 1 6v o r t e x 塔板 第一章文献综述 v o r t e x 塔板是s u l z e rc h e m t e c h 公司开发与生产的专利产品，能够 在不降低传质效率的前提下显著提高塔内气液负荷的通过能力【1 7 1o 在塔板上设计 了1 种独特的悬挂式防漩涡降液管，塔板上的传质元件可以为筛孔、浮阀和固定 阀等。v o r t e x 塔板具有以下特点：( 1 ) 采用了形状如同旋风分离器的降液管， 有利于对进入降液管的气液混合物进行分离，因为气体是通过升气管上升的，所 以能够避免降液管液泛的发生。( 2 ) 采用悬挂式降液管结构可以最大限度地提 高塔板上的有效鼓泡区面积。( 3 ) 增加了降液管的堰长，使液流强度、塔板压 降和降液管持液量都降低，提高了塔设备的处理能力和操作弹性。( 4 ) 由于对 降液管的位置进行了优化，最大可能地改善了两相流动的均匀性，从而提高了传 质效率。 1 2 降液管的研究进展 1 2 1 降液管中液体混合的测定 降液管内液体的混合状态是塔板效率模拟计算的一个重要边界条件，在大直 径塔板的出口堰处。液体浓度沿堰长方向是不等的伸l 。在有关塔板模拟计算 的文章中往往只讨论出口堰处浓度是均一的，或假定降液管内液体完全混合，其 目的是简化计算过程。实际上：降液管内液体的流动和混合状况相当复杂，并影 响塔板本身的操作和性能。八十年代初，w e i l e r 等人介绍了降液管中液体混合的 测定方法和结果，实验用矩形降液管，降液管内有8 个检测浓度探头，分两排放 置，实验是在不同工况下进行的，所用示踪剂为连续加入n a n 0 3 溶液，这一工作 首先在双溢流塔板上进行，其后在单溢流塔板上也进行了同样的研究，而工业上 广泛应用具有弓形降液管的单溢流塔板，其液体混合情况将明显区别于矩形降液 管。在弓形降液管内液体混合沿堰长方向是不相等的，若仍用涡流扩散模型来处 理，其中的涡流扩散系数沿堰长不是一个常数，会给实际应用带来许多困难。 天津大学的郑美茹等做了弓型降液管内液体混合实验i 2 ”，实验是在中1 2 m 的冷模塔中进行的，测量的为弓型降液管的混合量，混合量的测定采用了温度示 踪和浓度示踪两种方法，在降液管进口处连续注入8 0 热水或饱和食盐水，由安 装在降液管内不同位置处的探头检测各点的温度或浓度，按照其变化规律来分析 和计算液体混合量。通过实验可以定性的看出，降液管的液体处于部分混合状态。 研究还发现：降液管液体混合对板效率有影响，降液管混合越不均匀，板效 率就越低。因此可见，降液管内液体的混合起着改善塔板上液体流动和浓度分布 的作用，与w e i l e r 所得到的结论一致，另外，降液管液体完全不混合对单溢流塔 第一章文献综述 板效率的影响比对双溢流塔板的影响要严重一些。 1 2 2 降液管中气含率分布的研究 气含率分布是降液管气液两相流的主要特性之一。气液两相流中，气含率有 三种表示法：质量气含率、体积气含率和真实气含率，前两种都是表示流量分率， 即单位时间内流过某一流道截面的气相量( 质量或体积) 与气液总量之比。显然， 对降液管两相流，这两种气舍率实用意义不大，也难以计量。真实气含率是指流 道截面上气相截面占总流道截面的比例份额。在降液管内，通过真实气含率可求 得泡沫液密度和其它混合物性，可将液体表观流速折算为液体真实流速，还可对 降液管液泛极限和气相夹带量进行推算。 以截面比定义的真实气含率只具有沿流向变化的一维分布。但降液管内的流 场比较复杂，截面上的气泡运动和湍流脉动，泡沫液的环流和返混，要求对气含 率有更深入更细致的描述，一维分布己不能满足要求。因此，就有了将流道截面 离散为线或点的二维和三维分布。 余晓梅等采用毛细管光电检测技术 2 ”，将探头放在降液管内任意位置，可 获得弓型降液管内气含率的三维分布，实验装置由鼓风系统和实验塔组成，实验装 置的设计和运行工况着重v 0 2 的两相流特性研究。 1 2 3 降液管布置方式对塔板效率的影响 液体在塔板上流动型式不同( 主要是单溢流、双溢流及u 形流) 降液管在 塔板上的分布型式也有所不同。单溢流塔板结构简单，容易制造，其上的降液管 布置方式见图1 - 4 。 r飞 乡 ( & ) 传统弓形降渡管( b ) 半习、形降蒲管( c ) 径向砰 在臂 图i _ 4 单溢流塔板降液管布置方式 f i g 1 4l a y o u to f d o w n c o m e r o nt h es i n g l e o v e r f a l lt r a y 第一章文献综述 图l - 4 ( a ) 结构两边的弓形区内存在滞留区，使2 0 的气体旁流，相对无滞留区的 塔板而言，塔板效率下降了2 7 ；图1 4 ( b ) 的半环形降液管有效减小了滞留区， 相对无滞留区的塔板而言，塔板效率下降了3 ，但远高于图1 - 4 ( a ) 结构；而采 用径向降液管结构，使液体在塔板上的流径为同心圆，靠近塔壁的外圆流径最长， 气体大部分从那里穿过，造成旁流，从而降低了塔板效率，相对无滞留区的塔板 而言，塔板效率下降了8 。但对于大直径塔，如液相流量较大，液相流经塔板 时，由于克服各种阻力，造成入口堰处液面比出口堰处液面高一段位差( 液面梯 度) ，从而使气流分布严重不均，甚至造成局部漏液，影响塔板效率。所以当塔 径较大及液相负荷很大时宜采用双溢流塔板。双溢流塔板的结构和安装都比较复 杂，但液面梯度小，一般效率较单溢流塔板增加l o 1 5 ，不过降液管占塔板 面积较大，使塔板有效利用面积减少【2 “。 1 3 降液管出口液体分布研究的意义 以上介绍了有关降液管的一些研究，这些研究主要是集中在降液管内，并以 实验为主，而降液管出口处的研究甚少，降液管出口处是连接降液管与塔板的通 道，它对由降液管中流出的流体起到进入塔板前预分布的作用，影响着塔板上液 体的流型，进而影响塔板效率。 实验证明，精馏塔板上的液体流速分布对板效率有非常大的影响。液体的混 合程度与流体的流型具有直接的关系，我们知道，流体流型有两种极限情况，一 种是柱塞流，即液体完全没有反混，液体流速均一，另一种是充分发展的湍流， 液体完全混台，因此，可以从流体的流型出发，来研究流体的混合情况。人们很 早就认识到塔板上液体的流动状况是影响精馏塔分离效率的重要因素，流型或流 速分布的不同会造成塔板分离效率的不同【2 ，因此，要准确预测塔板效率，必须 对降液管出口处液体分布进行正确研究，这是进行塔板流场研究的先决条件。 作者针对前人的研究情况，采用计算流体力学方法，利用流体力学软件 f l u e n t 对降液管出口处流场进行模拟，以便更好的对塔板上流场进行研究。以 前的研究主要以实验为主，实验结果直接可靠，但对一些局部、细节不能给出详 细数据，现在流体力学的发展使得用计算机模拟真实流态成为可能。 1 4 计算流体力学方法及软件概述 1 4 1 计算流体力学 第一章文献综述 计算流体力学是在流体动力学、数值计箅方法和计算机技术的基础上建立起 来的。流体动力学就其本质来说，是求解描述流体运动的各类微分方程组的科学。 计算流体力学则是用数值方法求解流体运动的各类方程组，它的解是对微分方程 的精确近似。 计算流体力学的数学问题主要是质量、动量、和能量的守恒定律，这些守恒 定律构成了一个偏微分方程组。其无量纲形式为： 质量：s , o ，p + 审( p v ) = 0 ( 1 - 1 ) 1 动量：s , o ，( p v ) + v ( p v v ) = 一v p + _ v d ( 1 - 2 ) 能量s r d ，( p e v ) + v ( p e v ) = 一二 v - q + h 七一1 ) m a2 v ( p v 一o - - d ( 1 - 3 ) “芦fn e 这里的因变量是速度，密度p ，压力p 和总内能e 。一般的说流动的变量 依赖于3 个空间坐标和时间t 。这个方程组形成了一个抛物一双曲形方程组，求 解是需要适当的初始和边界条件。也就是说，在某一初始时刻t - - t o ，速度、温度和 密度在整个流场包括边界上都必须是已知的，于是压力可由状态方程求出。对于 p t o 的所有时间，为了能求出两个抛物方程( 1 - 2 ) 和( 1 3 ) ，在所有边界上都必 须指定速度和温度。对于固壁的相应边界条件，是速度的无滑移条件和渗透条件， 以及已知的壁面温度分布或通过壁面的热通量分布。由于连续性方程( 1 - i ) 的 双曲性质，密度只能在所考虑流场的流动入口截面上指定，而不能强加在流动出 口截面上。 上述方程组的求解构成了一个极难的数学问题。在一定程度上，这是由于各 微分方程固有的非线性所引起的，因此只有在消除非线性项，或通过变量的改变 使各守恒方程化为线性微分方程时，才可能得到封闭形式的解，使求解守恒方程 组极困难的另一个原因是流体运动依赖于作用在流体质点上的力的大小，这反映 在求解将依赖于出现在各微分方程中的下列诸系数上：s t r o u h a l 数s r ，r e y n o l d s 数r e ，p r a n d t l 数p r ，m a c h 数m a 和比热k 。当s r 数趋于零时，任何非定常运 动、周期和非周期运动均可忽略不计。于是，方程由抛物一双曲型化为椭圆一双 曲型。如果流动是局部非定常的，则这种方程类型的变化使得问题更复杂化了， 因为，这时解必须考虑局部加速的影响，否则便不能正确地计算真实的流动现象。 作用在流体质点上的惯性力与粘性力之比是更为重要的。r e y n o l d s 数表征了 这一性质。对于很多实际问题，r e 数很大或趋于无穷大，这时粘性力和热传导起 码可以在部分流动区域忽略，于是，对于非定常流动，方程的抛物性质消失了，对 于定常流动，只要流动速度大于局部音速，也就是m a l ，方程组( 1 - 1 h 1 3 ) 就是纯双曲型的。但若表征作用于流体元上的惯性力与弹性力之比的m a 数趋于 第一章文献综述 零，则方程的类型又是椭圆一双曲型的。由于m a 数也可能如同上面提及的r e 数一样变化，为了适当地描述质量、动量和能量输运，解必须反映流动的变化。 m a 数为零意味着流体密度是常数，不随空间位置和时间而变。连续性方程 化为v v = 0 。压力场和速度场不再明显地耦合。于是压力分布以无穷大速度传播 遍及整个流场，若不可压缩条件在局部不成立，则需要特另z j d , 心，由不可压分析 算出的流动条件可能与真实流动完全不一致，在r e 数和ma 数都为零的情况下， 作用在流体质点上的惯性力很小，力的平衡基本上只取决于压力和摩擦力，于是 能量平衡只由热传导给出，但对于大p r 数流动，能量的对流输运可能起作用， 若r e 数小，但p r 数大，它们的乘积是1 的量级，则尽管惯性力很小，能量的对 流输运也不能忽略。 对于大r e 数，从层流向湍流的转捩将发生，这种过程迄今远没有得到详细 了解，在这种过程中，流动不再是定常的，而具有时间相关的宏观动量和能量输 运，如果考虑某一时间间隔内的流动，则湍流应力不能严格地确定。 计算流体力学的英文缩写为c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 。近年来，作 为研究流体流动的新方法，c f d 在化工领域得到了越来越广泛地应用。计算流 体力学在化工领域的应用主要有1 2 4 】：( 1 ) 流化床：流化床最初的研究主要集中 在对流化床整体运行的描述上，这些对流化床的设计和操作有重要意义，尽管有 大量的实验室和工业数据，但是难以将其综合起来进行解释，因为实验室阶段， 由于测量技术的限制不能获得足够的数据。( 2 ) 搅拌：h a r v e y 和g r e a v e s 采用将 搅拌器作为黑箱( b l a c kb o x ) 处理的方法，即用实验方法测定搅拌器邻近区域，以 时间平均速度场，并以此为计算的边界条件，模拟涡轮搅拌器。b a k k e r 等人提 出应用c f d 研究搅拌的方法：在计算搅拌釜流体之前，要把搅拌釜分成一些小 单元，这一过程称为网格化。c f d 模拟能否成功取决于能否产生合适的网格。 网格生成后，质量，能量和动量守恒方程，以及表示湍流作用和发生化学反应而 产生或消耗的物质的变量，都可以通过数值计算解得。计算的一个重要部分就是 满足方程的边界条件，一般把壁面的流体速度定为零。l j u n g q v i s t 和r a s m u s o n 用c f d 软件f l o w 3 d 计算了存在气液界面和不存在气液界面f 即封闭和敝口搅 拌釜) 两种情况下，搅拌釜的流场。b o d e 用s t a r 的c f d 程序，及由纽约a d a p c o 开发的可以生成移动网格的子程序，来研究三种混合过程：管道中的混合、静态 混合器中的混合、装有涡轮叶片搅拌装置的混台槽中的流体流动。c f d 和l d v ( 多 普勒激光测速仪) 相结合，可以更深入地研究搅拌装置。l d v 测量数据可以验证 c f d 的计算结果，并且使用l d v 测定特定点的速度也可作为c f d 计算的边界 条件。此外p i v ( 粒子成像测速技术) 与c f d 结合，也被用于研究搅拌。 计算流体力学通过求解流场中的基本方程【2 “，如n s 方程、e u l e r 方程， 第一章文献综述 来了解流场的运动规律。由于近年计算机技术的空前进步，流体力学数值解法的 改进和网格划分技术的提高，为计算复杂流场提供了可能，从而c f d 产生的解 也越来越庞大，计算结果的不断增加，使得整理、分析、加工计算数据越来越繁 琐；而另一方面，由于物理问题及几何边界的复杂性，以及计算流体力学发展水 平的限制，使得复杂流场的计算不可能一次完成，而需要大量的调试和试算过程。 而可视化技术可对数据进行与计算过程同步或事后的快速分析1 2 “2 ”，计算流体 力学可视化可分为三种处理类型【2 8 】：即事后处理( p o s t p r o c e s s i n 曲、跟踪处理 r y r a c k i n g ) 及驾驭处理( s t e e r i n g ) 。事后处理是把计算与计算结果的分析分成两个 阶段进行，两者之间不能进行交互处理；跟踪处理是针对实时显示的计算结果， 判断计算过程的正确与否以确定是否继续进行计算；驾驭处理则可以对计算过程 加以实时监控，修改或增减某些变量和参数，如在计算过程中增加或组合网格等， 以保证计算过程的正确进行。 1 4 2 计算流体力学软件介绍 目前国内比较流行的模拟计算软件主要有p h o e n i c s 、c f x 、f l u e n t 、 s t a r c d 和f l o t r a n ，尽管它们在工程上的应用都比较广泛，但涉及的内容 不尽相同，各有利弊。 p h o e n i c s 软件由c h a m 公司推出，是最早出现的c f d 通用软件，以低速 热流运输现象为主要对象，建立在s p a l d i n g 和p a t a n k a r 提出的半隐式压力校正解 法( s i m p l e 算法) 的基础之上，包括有相当丰富的湍流模型、多相流模型、燃 烧和化学反应模型。 c f x 是a t e ( 英国原子能机构) 开发的计算流体力学方面的工程软件，在 非定常流、多相流、燃烧及化学反应等领域有强大的处理功能。就多相流而言， c f x 4 3 具有处理欧拉多相流及拉格朗日多相流的能力，并提供了表面张力模型、 多层及多组分模型、沸腾模型、气泡流模型、流化床模型等，用户可以运用这些 模型处理气固、气液、固液、气固液等多相流模型。 s t a r - c d 在日本非常流行，主要应用于汽车工业中的内燃机计算，它是按 非结构网格设计的软件，和f l u e n t 相似都提供了结构型、非结构型以及两者 混合的多种网格类型供用户选择。该软件在滑移网格( m o v i n gm e s h ) 技术方面 有领先优势。 f l o t r a n 是a n s y s 程序中的一个分析程序，主要用于分析二维及三维流 体流场。可以解决的问题主要有：作用于气动模型上的升力和阻力，超音速管中 的流场，弯管中流体的复杂三维流动。 以上几种c f d 模拟软件的对比见表卜l 。 第一章文献综述 表1 1c f d 软件对比 t a b l e1 1c o m p a r i s o no f t h ec f ds o f t w a r e 软件 p h o e n k ：sc f xf l u e n ts 1 1 a r c df l o t r a n 数值 有限容积法有限差分法有限容积法 有限容积法有限元 方法 迎风差分h y b r l dp o w e r l a w二阶格式 单调沿流 格式二阶迎风差分二阶迎风差分一阶完全隐式格线方向的 混合格式 q u i c kq u i c k a上游差分 标准k 一模 标准k e 模型标准k e 模型 璎 标准k e 模型 低雷诺数 标准k 改进的r n g 湍流模型 k 模型模型 c h e n w o o d k e 模型 代数应力模型 k 两层 湍流 变形模型 模型 在近壁区使用 r n g 湍流模型 雷诺应力微 n o r r i s 和 m o s t a f a m o 分方程模型 r e y n o l d s 方程低r n g 湍流 n g m 雷诺数模型模型 k e 模型 雷诺流动微 雷诺应力模型 分方程模型 结构化正结构化、非结构 非结构化网格二维三角 交网格化、正交、非正 结构化网格形和四边 不规则多 交和曲线坐标 局部网格优化 形单元 块网格 系网格 网格 非正交曲线 交错网格混合网格 坐标网格三维四面 滑动内部 不连续网格 体和六面 边界条件 滑移网格可变网格 体单元 滑动网格 使用相同 压力 s i m p l e 阶的类似 s i m p l e 速度 s i m p l e cs i m p l e c 于有限体 s i m p l e s t 耦合积法的迭 p 1 s o 代算法 第一章文献综述 1 4 3f l u e n t 简介 f l u e n t 公司是全球最大的计算流体力学( c f d ) 软件供应商和技术服务商。公 司总部设在美国n e w h a m p s h i r e 州，下属机构遍及全球。 在全球众多的c f d 软件开发、研究厂商中，f l u e n t 软件独占4 0 以上的 市场份额，具有绝对的市场优势。在商用c f d 的发展历程上，f l u e n t 软件是 绝对的领导者和技术先行者。商用c f d 软件发展历史记录下了f l u e n t 软件所 创造的众多第一：1 第一个交互式的、用户界面友好的商用c f d 软件。2 第一 个引入雷诺应力湍流模型做为标准的特征。3 第一个基于完全非结构化网格的商 用c f d 软件。4 第一个提供标准并行处理能力。5 第一个提供处理任意边界变形 的变形网格能力。 f l u e m 软件应用领域非常广阔，包括：航空航天、汽车设计、船舶、生物医 药、化学处理、石油天然气、发电系统等。在中国，f l u e n t 软件的应用趋势更 是令人瞩目，自1 9 9 8 年由北京海基科技发展有限责任公司引入以来，短短的几 年内，f l u e n t 已经广为人知，成为各大研究机构和公司进行计算流体力学方面 的研究的首选软件口9 。 f l u e n t 公司的软件设计基于c f d 软件群的思想，针对各种复杂流动的物理 现象，f l u e n t 软件采用的数值解法，以期在计算速度、稳定性和精度等方面达 到优化组合，从而高效地解决各个领域的复杂流动计算问题，模拟流动、传热和 化学反应等物理现象。并且由于采用了统一的前、后置处理工具，在各种软件之 间可以方便地进行数据交换。 f l u e n t 软件包包括：( 1 ) f l u e n t 解算器；( 2 ) p r e p d f ：模拟p d f 燃 烧的程序；( 3 ) g a m b i t ：几何图形模拟以及网格生成的预处理程序；( 4 ) t g r i d ： 可以从已有边界网格中生成体网格的附加前处理程序；( 5 ) f i l t e r s ( t r a n s l a t o r s l ： 从c a d c a e 软件如：a n s y s ，i - d e a s ，n a s t r a n ，p a t r a n 等的文件中输入面 网格或者体网格。 图1 5 所示为以上各部分的组织结构。 f l u e n t 解算器有如下模拟能力： 用非结构自适应网格模拟2 d 或者3 d 流场： 不可压或可压流动 定常状态或者过渡分析 无粘，层流和湍流 牛顿流或者非牛顿流 对流热传导，包括自然对流和强迫对流 耦合热传导和对流 第一章文献综述 图1 - 5f l u e n t 软件包组织结构 f i g 1 5s t r u c t u r eo f t h ef l u e n ts o t t w a r e p a c k a g e 边 界 或 体 j 嘲 格 辐射热传导模型 惯性( 静止) 坐标系非惯性( 旋转) 坐标系模型 多重运动参考框架，包括滑动网格界面和r o t o r s t a t o r i n t e r a c t i o n m o d e l i n g 的混合界面 化学组分混合和反应，包括燃烧子模型和表面沉积反应模型 热，质量，动量，湍流和化学组分的控制体源 粒子，液滴和气泡的离散相的拉格朗日轨迹的计算，包括了和连续相的 耦合 多孔流动 一维风扇热交换模型 两相流，包括气穴现象 复杂外形的自由表面流动 它所使用的非结构网格主要有三角形五边形、四边形，五边形，或者混合网 格，其中混合网格有棱柱形和金字塔形。 总而言之，对于模拟复杂流场结构的不可压缩可压缩流动来说，f l u e n t 第一章文献综述 是很理想的软件。 1 5 流体流动计算模型 良好的c f d 数值模拟计算需要选择合适、正确的流动模型，这是流体力学 得以顺利进行的前提。数学模型的选择直接决定是否能够得到有价值的计算结 果，是否能对流动现象进行正确的预测。任何实际流动类型都有其特有的复杂性， 尤其是湍流，因此通过人们进行的各种假设或处理，将真实的流动模型化为设计 模型，进行模拟数值计算，以获得近似的结果。主要的流动模型类型有层流模型、 湍流模型，每一种模型下面又可以有多种的计算方式，为了选取一种最适宜的湍 流模型，需要对湍流模型做个介绍。 一零方程模型 最早期且最简单的湍流模型是混合长度模型【30 1 ，即代数模型( 零方程模型) ， 由p r a n d t l 于1 9 2 5 年提出，其结果可由下列表达式描述： 舻以陛+ 到( 1 - 4 ) 1 口5 jd 五i 赭一p 面2 p e 陲+ 瓦c 。u 1 l i a 魄u j - + 考 s ， 其中，j 。称为混合长度，由直观判断或实验确定。 混合长度模型的优点是简单直观，无须增加微分方程，它已成功地应用于预 报射流、边界流、管流及喷管流动等。从计算角度讲，零方程模型是求解边界层 方程的最简单方法，但是该方程也有严重缺点。例如在管流轴线上和栅网后方收 缩系数为零，这个结果是不对的。另外作为该类模型基础的混合长概念未考虑湍 流量的扩散输运及对流输运问题，对于复杂流动，诸如回流和漩流流动，混合长 度，难以确定。 二单方程模型( s p a l a r t a l l m a r a s 方程) 在零方程模型中，雷诺应力和局部平均速度梯度的联系是通过混合长和湍流 粘性建立起来的，因此，这是一个局部平衡的概念。同时在j 詈。= 。处，无法 反映湍流中的雷诺应力。由于零方程模型需要较多地依靠经验，这就使得零方程 第一章文献综述 模型在应用上受到了一些限制，因此人们建议在雷诺方程和连续性方程的基础 上，再建立一个湍流动能方程来使方程组封闭，这种模型称为单方程模型。 单方程模型仍沿用涡流粘性的概念，将湍流运动粘性系数表示为特征速度和 特征长度之积的形式： v ：c 。k 必j 其中，c 。为实验常数， 湍流脉动动能，即： k = 昙丽 ( 1 6 ) j 为特征长度，由特定流型的经验关系式给定，k 为 ( 1 。7 ) 由n s 方程及雷诺分解可导出湍流脉动动能k 满足的输运方程为： 腿+ u 堡= 画) 詈一熹瓦+ 缅j ) 一盘c 3 x 盟 8)j。xj(1-5-jo x i ( - u 一2 j ”j 蒜一面【p ”j + 弛j ) 一一。 从方程可以看出，湍流脉动动能k 的输运方程中虽然给出u ，、p 及一u 弑和 k 的补充方程，但又增加了脉动压力关联项及其它三阶项。为使方程封闭，必须 对这些项做出近似的假设，另外珀值也是取决于特定流型的经验公式。所以， 尽管单方程模型比混合长模型合理，但对于简单流动