软件工程实践论文软件工程导论论文CFX软件模拟气升式.doc

软件工程实践论文软件工程导论论文：CFX软件模拟气升式环流反应器的研究摘 要: 选用气一液两相气升式环流反应器为研究对象，采用双流体模型(即欧拉一欧拉多流体模型)描述气液两相流动过程。利用ICEMCFD软件对气升式环流反应器进行“O型网格划分，并用CFX一10.0软件对模型方程进行求解，得到了包括气液两相速度场、局部气含率分布等参数。通过改变升流管高径比，考察升流管高度对气含率和液相速度的影响，在此基础上对气升式环流反应器的结构进行改进。关键词: 气升式 环流 反应器 计算流体力学(CFD) 气液 两相流气升式环流反应器(ALR)由于具有结构简单、能耗低、混合和传质性能好等优点，被广泛应用于生物化工、石油化工和环境工程等领域。近年来，气升式内环流反应器在活性污泥法污水处理中被广泛应用，由于其良好的传质和混合特性，较之传统的活性污泥曝气装置显示了较大的优越性，在工业上越来越受到人们的重视，但由于人们对其流动与传质行为认识上的不足，目前在其设计与放大过程上仍存在较大的不确定性，因此，对其内部的流动与传质行为进行深人研究对于此类反应器的设计与放大具有重要意义。计算流体力学(ComputationalFluidDynam-ics，CFD)可以看作是在流动基本方程控制下对流动的数值模拟，通过这种模拟，可以获取反应器中的速度场、局部气含率等详细参数。与实验方法相比，CFD模拟不仅花费少、设计周期短，且能在较短时间内预测装置的性能，并通过改变各种参数，达到最佳设计和操作效果，对反应器的设计、放大、优化和混合传质的基础研究都具有重大意义。本研究使用CFD数值模拟方法来分析气升式环流反应器的内部气液两相的流动状况，并在升流管直径不变的条件下，改变升流管的高度，即改变升流管的高径比，得出升流管高径比对液相速度和局部气含率的影响，在此基础上对气升式环流反应器进行结构优化。1 几何模型气升式环流反应器的几何模型见图1。反应器直径d1，升流管直径d2，升流管高度h2，锥段高度h4，分离区高度h5，底隙高度h6，升流管高径比为h2/d2。由于气升式环流反应器具有对称性特点，本研究所有的方向，取XY为截面，如图1的XY二维平面示意图所示:以反应器最底部的对称中心作为原点建立坐标系，水平向右为径向正方向即X(R)轴垂直向上为轴向正方向(即Y轴)。2 网格划分以及物理模型建立(1) 网格划分由于气升式内环流反应器结构具有对称性，本研究使用CFXro.O中的ICEMCFD软件对气升式内环流反应器模型进行“0”型网格划分，并在边界处对网格加密。采用O一grid创建一系列块结构，通过O一幼d来减少曲线或曲面上块的歪斜，从而提高壁面附近聚集网格点的效率。(2) 模型假设本研究把气相作为分散相，液相作为连续相，选用双流体模型，即欧拉一欧拉多流体模型来描述气液两相流之间的相互作用。假设: 空间各处分散相与流体相共存，相互渗透，各相具有各自不同的流体速度、温度及体积分数; 分散相在空间中有连续的速度、温度及体积分数; 计算中的速度、压力均较低，两相都被看作不可压缩，即气体和液体的密度为常数; 计算模型中忽略气和水两相间的传质。(3) 控制方程对液相(连续相)的湍流模型采用标准的k双方程模型，气相(离散相)采用零方程模型。连续方程:动量传输方程:湍流脉动动能一耗散率(k一司双方程模型如下：式中: rg+r1=1，rg代表气相体积分数，rl代表液相体积分数。SgS1为源项。3 计算结果及分析局部气含率和循环液相速度是环流反应器的重要参数，特别是反应器内不同区域的局部气含率和环流液相速度对环流反应器的传质和混合有重要的影响。数值模拟结果见图2一10。(1) 图2为表观气速为0.05耐s下，轴向高度(Y)分别为0.10，0.25，0.85，1.75，2.20m下，液体速度沿径向X(R)分布对比图。由图2可知，在气液混合区，液相速度开始较小，进人升流区底部时，由于此处气含率较高，液体体积较小，在气体的挟带作用下，液相速度上升明显;随着液相速度的增加，流体阻力增大，液相速度有所减小;进人气液分离区后，由于锥段处的横截面积突然扩大，液相速度进一步减小;在降流区，液流是向下的，且在降流区的不同高度，由于气含率较低，气液两相之间的作用力较小，流体运动趋于平缓;在近壁面处，由于壁面效应的作用，液相速度接近于零。(2) 图3，4，5，6分别为表观气速。在0.005，0.020，0.040，0.050m/s下的速度云图。由图3一6可知，在升流区，随着表观气速的增加，液相速度增加，随着表观气速的增加，液相速度增加的幅度变缓。这是由于随着表观气速的增加，尹流区气含率增加的幅度大于降流区气含率增加的幅度，从而引起升流区和降流区压差变大，所以液相速度变大;增加到一定范围时，升流管流体湍流加剧;流体运动的阻力增大，间时，气泡的增多使气泡之间的碰撞加剧，耗散了一部分流体的能量，所以液相速度增加的幅度变缓。在降流区，随着表观气速的增加;由子能量的传动作用，液相速度的变化趋势和升流区变化趋势基本保持一致。 (3) 图7为局部气含率沿中心轴(Y轴)的分布对比图;图8为高度Y二0.90m，局部气含率沿径向的分布对比图。由图7可知，局部气含率随着表观气速的增大而增大。在低气量下，由于气泡较少，局部气含率在不同的轴向高度上变化不是很明显。随着进气量的增加，气泡增多，动量传递增大，气泡之间碰撞增多，局部气含率的变化也较大，并且距离分布器越近，局部气含率越大。由图8可知，升流区的气含率远高子降流区，并且越靠近壁面气含率越小;在降流区，由子气体通过气液分离区时，绝大部分气体已经被分离出去，所以气含率很小。(4) 图9、图10分别是在表观气速为0.04而，、其它结构尺寸不变的情况下，在原有升流管高度h2=1500mm的基础上，分别增加h=50，75，100mm，得到的中心轴(Y)液相速度沿轴向分布对比图和局部气含率沿中心轴(Y)的分布对比图。由图9、图10可知，当升流管高度增加50mm时，升流区液相速度可以提高7%左右，气含率略有减小。这是由于升流管变高，引起升流区和降流区的的压差变大，液相速度也随之变大，同时溢出液面的气泡增多，气泡在气升式环流反应器内的时间减少，故气含率略有减小;当增加75mm和100mm(升流管顶部与锥面底部平行)时，升流区的液相速度和局部气含率都下降，液相速度降低幅度达到30%左右，这可能是由于升流管高度的增加，升流管顶部与锥面距离太近，从而对形成有效的循环流动构成影响的结果。4结论( l ) 在一定的操作条件下，液相速度随着表观气速的增加而增加，但随着表观气速的增加，液相速度增加的幅度逐渐变缓。气含率也是随着表观气速的增大而增大，在低气量下，气含率在不同的轴向高度上随表观气速的变化不是很明显。随着表观气速的增加，气含率的变化较大，并且距离分布器越近，气含率越大。( 2 ) 在整个反应器外形尺寸和升流管直径不变的情况下，对于一定的气体流量，随着升流管的高径比变大，反应器内的液体循环速度变大，但是并非越大越好，存在一个最优化的升流管高径比。参考文献1 Fan Yi，Wang Qi，Chen Jun，et al.Fuxing.Degradation of petrochemical wasterwater by activated sludge in colume re