G-LISR不同气相入口流速对流场特性的影响.docx

1、第33卷第3期2017年6月化学反应工程与工艺ChemicalReactionEngineeringandTechnologyVol33,No6June2017文章编号：10017631(2017)03022709DOI:10.11730/j.issn,1001-7631.2017.03.0227.09G-LISR不同气相入口流速对流场特性的影响姜展翔徐蕾I向东杨侠1,郭钊1,杨清21. 武汉工程大学机电工程学院，湖北武汉430073:2. 武汉鑫瑞泽科技有限公司，湖北武汉430000摘要：为了提高气液撞击流反应器(G-L1SR)的混合性能，找到合适气相入口速度的操作参数，采用ANSYSWor

2、kbench中的Geometry模块，基于欧拉-拉格朗日法建立G-LISR气液两相流动数学模型。在加速管对置距离为400mm,液相入口速度为5m/s,三种不同的气相入口速度(10,15,20m/s)条件下，用数值模拟软件Fluent分析模拟出了不同气相入口流速下反应器内流场的分布特征。模拟结果表明：随着气相入口初始流速的增大，反应器内湍流强度有所增加，在压力波动最为剧烈的撞击面中心点处，压力急剧增大。增大气相初始流速，将降低反应器中的液滴的浓度分布，减少了液相在反应器中的停留时间。从能量损耗和气液两相在反应器中的混合效果来看，气相初始流速不宜过大，lOm/s为较佳。关键词：气液两相撞击流撞击流

3、反应器气相入口速度数值模拟流场特性中图分类号：O359+.1文献标识码：A化工反应器的传质及混合效果对反应的质量及效率影响重大IF。撞击流(ImpingingStream)是化学工程领域中一种强化传质、促进混合的技术与方法，这一概念最早是由Elperin4于20世纪60年代提出的，其原理是两股流体在撞击的瞬间能够产生极大的相间相对速度，并形成一个相对狭窄的高度湍动的区域，能够极好的提高热、质传递效率IM】。国内外学者已经对气液相撞击流进行了理论分析与实验研究。颜杰等依据撞击流原理，设计了一款新型撞击流浓缩器，通过实验及模拟研究获得了反应器内气液两相温度、速度、浓度等的唯一变化规律。孙勤等采用脉

4、冲示踪法，测定了气液撞击流过程中，液相的停留时间分布。国外学者Ogawa等采用热线实验对反应器内部流场进行测量，探究了气液撞击流中湍流强度影响撞击面空间分布的规律。Hosseinalipour等的对一种撞击流干燥器中单颗粒在过热蒸汽中的运动进行了模拟研究，分析了颗粒的运动轨迹和停留时间等参数。随着国内外学者对撞击流技术研究的深入，研究方向从单一形式的气-固两相撞击流拓展到气-液、液液、液-固两相撞击流和气液固多相撞击流的研究，现在已被广泛应于脱硫脱硝I】、干燥、萃取、结晶Ml、污水处理、水煤浆气化、纳米材料制备等化工生产工艺中。本工作所研究的气液相撞击流反应器(Gas-Liquidimping

5、ingstreamreactor,G-LISR)是用于面向环保行业，厨房油烟废气的净化处理装置。为了提高G-LISR的混合性能，将通过商用数值软件Fluent来模拟在不同的气相速度下G-LISR内流场进行了数值模拟，对结果进行分析比较，选出最为适合气相入口速度的操作参数。收稿日期:2017-04-27;修订日期:2017-06-I3o作者简介：姜展翔(1991),男，硕士研究生;杨侠(1978),男，教授,通讯联系人。E-mail:3095068802o基金项目：国家自然科学基金(51276131)。1流场的数值模拟1.1数学模型气液撞击过程中，将气相处理为连续相，直接采用时均纳维-斯托克斯方

6、程求解；液相的体积分数很低，处理成离散相。离散相和连续相之间存在有动量、质量和能量的相互作用，这些相互作用通过各相的控制方程中的相间传输模型进行耦合。本文采用欧拉-拉格朗日方法”89对气液流场的相互作用进行探讨。1.1.1气相控制方程连续性方程：(1)式中角标i,，表示坐标方向；表示气体密度，kg/m3；(7/表示气体速度，m/s。动量守恒方程：气pu)+(puu)=_aP+"j+fdt1dx1JSTkja羌(2)Jir=(E)1囊+知ijT)I3ill'j)"T=C.pk2k其中F为静压力，勺为应力张力，无为气液两相相间作用力。研究发现m-221,气液两相流动中液

7、粒与气体的相互作用改变了气体的剪切力，同时，液粒相流动中往往会对气相产生阻力。通过比较几种常用的湍流模型数值模拟结果，发现标准模型在大多数情况下依旧能获取到比较好的结果。因此，采用伫£模型，控蒯方程包括湍I动能方程和耗散能方程。6z.xd/"dk一(网)+(pkU、=Q|"+|dtdxJ)dxLkk.dx"j+G_彦dx11/(CG+Cqe)1k1U(3)(4)(5)(6)(7)G=J兰*萱'S驾dxj式(5)(6)(7)中各常数的值如下：G=0.09,G=l.44,C2=1.92,%=1.3,以=1.0。1.1.2液相运动方程由于G-LISR内

8、液相占有体积分数很小，因此液粒之间的互相作用可以忽略。反应器内液粒相受(8)(8)到的主要作用力是相间曳力，忽略其他作用力。采用离散相模型，建立液粒相运动方程。m="UT)dt2式中s为液粒的位移量，V、U为液粒速度，月为曳力系数。L2几何物理模型为了简化G-LISR几何模型和数值模拟过程，G-LISR设计采取轴对称结构，其主要结构包括：内空圆筒型的反应器，高2000mm,直径600mm。对于G-LISR来说，选择加速管有效长度是极其重要的，学者伍沅通过对撞击流理论知识的总结和整理，推导出了加速管有效长度的计算公式：".33夕pd式(9)中力为液相密度，所为气相密度，为液粒

9、直径，加为加速管出口处液粒的速度，为气相速度，加速管出口处的液粒速度约为载气速度的0.50.7倍本研究取：勺F.6%,4尸200呻。通过式(9)的计算可知，加速管有效长度不小于400mm,为了使气液更好的预混合，本文圆柱形对置加速管，直径100mm,长度500mm；加速管入口设置直径10mm的喷嘴将液相雾化成小液滴,出料口直径100mm。坐标系的原点选在两加速管轴线中点，加速管轴线为尤轴，垂直径相为轴,筒体中心轴线为z轴。G-LISR几何模型如图1所示。图1G.LISR几何模型Fig.1GeometricmodelofG-LISR图2网格划分情况Fg.2Meshing付G-LISR1.3网格模

10、型数值模拟采用ANSYSworkbench中的Mesh模块对G-LISR模型进行分区网格划分，考虑到流体在反应器内的流动范围，加速管对置区域即撞击区，流体在此区域内发生碰撞、混合与其他区域相比，流体更为活跃，所以网格较密集，采用四面体网格，Intervalsize选为5mm；而加速管中，气相流体与液相流体在此区域存在预混合和相互干涉，所以Intervalsize选定10mm四面体网格。在反应器内撞击区以外的地方，流体流动较为疏散一些，则采用四面体网格Itervalsize选为30mm,划分结果如图2所示。1.4边界条件与求解方法液粒相进入加速管后，随气相在中心区域发生撞击，直至液滴轨迹终止，选

11、取边界条件如下：气液两相入口边界条件均采用速度入口，出口边界条件采用压力出口，液粒壁面条件为“trap”，力口速管对置距离选取400mm,液粒相进口速度大小为5m/s,气相入口速度大小分别取10,15,20m/s,气相壁面边界条件为无滑移壁面。采用瞬态分析，由于反应器内流场处于湍流状态，气相作为连续相采用基于欧拉坐标的标准模型，Simple分离解法求解气的速度场、压力波动随时间和空间的变化规律；液粒相由于所占体积比例小于10%,采用基于拉格朗日的颗粒轨道模型，结合运动方程，求解其在反应器内的速度分布、浓度分布和停留时间的变化规律。考虑气液两间的相互作用对流场产生的影响，两相采用耦合计算。2计算

12、结果与分析2.1气相入口速度对气相流场特性的影响（1）气相压力场结果与分析为了观测反应器内流场特性中压力场的分布情况，取稳定时刻（z=0）截面和y为。截面的压力云图，如图3和图4所示。16X913491槌ggS3®«<1136X1，做。996«XB670sVfi3*<J01*17*91»513117X)129901“131S67XX)4AM)1.1KSI247<<X?23U<D22W<01«><D1做0156«<C11X0117如10UKI291*9,664eOi524«

13、。39UQ，26U。13<»Q，(a) initialgasflowrate1()m/s(b) initialgasflowrate1()m/s(b) initialgasflowrate15m/s(c) initialgasflowrate20m/s4W<0l9貌31皿<0,J»oiI3Qim012/yi98*<<n1X>mC1SZOrXD心40VJ6n-Jtu«00S<QlOrKC1Xk<Q11/eXD-10U<Df1515比91:1444>O!IA。(a) initialgasflowrateIOm

14、/s(b) initialgasflowrate15m/s(c) initialgasflowrate20m/s图3不同气流速度下z=0截面静压力分布Fig.3Thedistributioncontoursofstaticpressureindifferentinitialgasflowrateatz=Q从z为0截面压力云图可以看出，压力分布集中在撞击区域，中心处压力最高，并向周围呈现递减规律。撞击过后径向流速转为轴向，会与壁面发生碰撞，在壁面附近呈现一定的压力梯度。随着流速的增加，中心处的压力越高，加速管内的压力下降越快，梯度越明显。i如1S3«i冶0I180gg965»

15、M)1I2101749r40l677*401600X)1532tO1<60*<0138B«91?44EI*硕9%皿419e<00图4不同气流速度下)=0截面静压力分布Fig.4Thedistributioncontoursofstaticpressureindifferentinitialgasflowrateat)=0从y为。截面压力云图可以看出，撞击面附近沿z轴方向存在一个明显的压力梯度，这是因为撞击过后气流流动方向改变，从而在轴向上运动产生压力梯度。同时，气相撞击反应器壁面，在壁面沿着z轴方向会形成压力损失。这种压力损失会随着气流速度的减小而下降。（2）气相速

16、度场结果与分析为了观测反应器内流场特性中速度场的分布情况，取稳定时刻z为0截面和y为0截面的速度云图，如图5和6所示。从图5速度云图可以看出，气相初始速度的不同对反应器内z为0截面上的速度分布范围影响不大，但在相同位置上气相的速度大小有所不同。撞击面中心点处的速度最小，碰撞过后x轴方向速度转为y轴方向并沿着y方向呈递减趋势。x-y轴将z为0平面划分出为四个象限，在各个象限内都形成中间流速低，外围流速高的现象，这是因为当y轴方向运动的气流碰撞到壁面时形成回流，会沿着y轴气流方向到壁面到加速管方向的漩涡，增强了气流于反应器内的扰动。随着气相初始流速的增加，这种扰动的范围几乎没有改变但各区域的湍动能

17、增大，撞击面及壁面的能量损耗增大,气相中携带的液粒停留时间减少，不利于G-LISR内两相的混合进程。(a)I)CB»«O3II4>»«CQXXB,MOO)«<»is»«a)!QI»«OQ53M1n*。WtXJG715心iBeXC4?&<xn3t8WA:功心iCOtetCBgasflowrate1()m/s(b)gasflowrate15m/s12200H)1iWmOIiwt*mI58m01L127X1IW»<Of1061I1W.HUIIB加K«

18、528心422t*003»7tKD2n»HD10600nm»«nn(c)gasflowrate20m/s图5不同气相初始速度下z=0截面速度分布Fig.5Thedistributioncontoursofvelocityindifferentinitialgasflowrateatz=0从图6可以看出，y为0截面上的速度分布呈现“蝶型”，这是由于壁面的限制，会在z轴方向和壁面之间形成漩涡。而这些漩涡会对周围流体产生卷噬并向出口移动，这能够提高G-LISR内湍流强度,从而促进相间混合。但随着气相初始流速的增大，大量气相携带液粒碰撞壁面而粘附在壁面上，从而对

19、混合不利。ZVH«00 r<<r:(9000IiI3«e<0II4FTISTIEKCI124<C£45oaw«oo15W<O1IH»X>I1(35M«O2AMDOOQb«OD(c)gasflowrate20m/s(a)gasflowrate10m/s(b)gasflowrate15m/s图6不同气相初始速度下)=0截面速度分布Fig.6Thedistributioncontoursofvelocityindifferentinitialgasflowrateaty=02.2气相入口速度对液

20、相流场特性的影响（1）液粒轨迹分析如图7不同截面速度矢量图。取稳定时刻y为0截面和z为。截面气相速度矢量图进行分析,100«*01101e>01100«*01101e>01958e*009Q5Z00214e>0016Oe*001.07e*005.41。01955*030601010168*0006*00024-00Q8+O04600Q2+O039+O080+0033+0079*0020*0073*0020*0067ZOO14ZO080ZO00750041*0155+03VelocityVectorsColored印VelocitvMaanitude(m/s

21、)(Time=80000e*00)y=0VelocityVectorsColored印VelocitvMaanitude(m/s)(Time=80000e*00)y=0VelocitvVectorsColoredBvVelocityMaanitude(m/s)(Time=80000e*00)z=0图7不同截面的速度矢量Fig.7Velocityvectorsatdifferentsection从图7可以看出，在y为0截面四个象限内都出现贴近壁面处的速度会略大于远离壁面处的速度，这是由于壁面的限制在这些区域形成了漩涡，贴近壁面的漩涡外侧速度较于漩涡内侧大，这就造成了在y为0平面各象限内出现中部速

22、度低于外侧速度的现象；在z为。截面，气相的流动非常复杂，会在壁面和z轴方向形成层层漩涡，这层层漩涡对周围气流产生卷噬，并随着上升的气流向出口移动，这就造成了在z为0平面内，速度分布呈“蝶形”。液粒在气流的带动下，进行运动，通过对液粒运动轨迹的捕捉，我们发现液粒的运动轨迹与气相流场具有一致性。取不同气相初始流速下液粒的运动轨迹，如图8所示。1882176357刀216830164301602215622162201N482»01I402*01I3551I3menI28TI24!e112019161212021803024CQ»CQ000»*00I662»0

23、162)16$6eX)l562101529e4)1496)1463e14XW01397t01364»133UO1265«O1232*01I132»1993eS662t233UO2OOOeMD4ZW)：401013800135013 380131701296»O12740125MI12.3201211,0116901143,1.27»0t844026330?4 22*022.11"000*00(a) gasflowrate10m/s(b) gasflowrate10m/s(b) gasflowrate15m/s(c) gasflowra

24、te20m/s图8不同气相初始速度下液粒轨迹Fig.8Particletrajectoriesatdifferentinitialgasflowrate由图8不同气流速度下的液粒轨迹可以看出，撞击后液粒速度由径向转为轴向，由于壁面边界条件为“trap”所以当气流携带液粒碰撞壁面后会粘附在壁面上，而部分液粒则朝着z轴正负方向做无规则运动，由于液粒的直径很小，密度也不大，对气流具有良好的跟随性，所以气相流场对液粒的运动具有重要影响。从三种不同气相初始流速的液粒轨迹图不难发现，轨迹上液粒于当前位置的停留时间不尽相同，会随着气相初始流速的增加停留时间减少，不同气相流速下，液粒于轨迹上的停留时间呈反比关

25、系。气相流速由10m/s增加至15m/s时，液粒在轨迹上各处的停留时间为前者的0.83倍，而随着气相流速继续增加至20m/s,其停留时间继续减少至10m/s情况下的0.53倍。这说明气相初始流速的增大不利于液粒在G-LISR内的停留，即不利于气液两相的混合。（2）液粒浓度分析液粒相在流场中的浓度分布表征液粒在G-LISR内的分散特性。因而探讨液滴浓度分布对明确液粒于反应器中的流场分布起到关键作用。不同气相初始速度下液粒相在反应器内y为0和z为。截面的浓度分布如图9和图10oPgcn*«ie»aPgcn*«ie»a33MS，tfWK2U0SBDHSrio&

26、#187;a，0MS6"i(XM5Att»05mg1)SM$:VMS；W»4»OODmOO(a) gasflowrate10m/s(b) gasflowrate10m/s(b) gasflowrate15m/s(c) gasflowrate20m/s图9不同气流速度下）=0截面液滴浓度分布Fig.9Thedistributioncontoursofliquidparticleconcentrationindifferentgasflowrateaty=0通过不同截面液粒相于反应器的浓度分布云图可以看出，液粒浓度集中于撞击区，从y为0截面来看，气相初始速度

27、越小，液粒在反应器中的分布越均匀。随着气相初始速度的增大，液粒于反应器中的浓度大小缩小了一个数量级，当初始速度由15m/s减小到10m/s时，反应器中液粒浓度增大至原来的3.3倍；当初始速度由20m/s减小到10m/s时，反应器中液粒浓度增大至原来的4.4倍。从z为0截面来看，气相速度的增大，液粒相湍流强度增强，浓度的分布范围略有增加，但分布变得不均匀，且反应器中液粒的浓度有所下降。当初始速度由10m/s增大到15m/s时，浓度减小至原来的0.3倍；当初始速度由15m/s增大到20m/s时，浓度缩小至原来的0.66倍。因此，气相初始速度的增加使湍动能增强，但液粒的浓度反而下降，所以气相流速不宜

28、取太大。(a)I顷心1zB90*05.762KKIIIL心I4Igasflowrate10m/s(b)gasflowrate15m/sIenux，52XS，9MX625QSMb300.CS468KI5项皿IJIEC*IIgm2CBM13：)r«YA(c)gasflowrate20m/sGasflowrate/(ms1)图11不同气流速度下液粒停留时间Fig.l1Theresidencetimeoftheliquidparticleatdifferentgasflowrates图10不同气流速度下z=0截面液滴浓度分布Fig.10Thedistributioncontoursofliq

29、uidparticleconcentrationindifferentgasflowrateatz=0（3）液粒停留时间分析液粒的平均停留时间是其运动的重要特征量，也是表征气液两相混合效率的重要指标。取追踪液粒的停留时间的平均值，探讨不同气相初始流速对液体粒停留时间的影响，如图11所示。从图11不同气流速度下液粒停留时间中可以看出，气流速度大小对液粒的停留时间有一定的影响，液粒平均停留时间与气流速度呈相反趋势。当气相初始流速为10m/s时，液粒平均停留时间为0.81s,气相初始流速为15m/s时，液粒平均停留时间为0.67s,气相初始流速为20m/s时，液粒平均停留时间为0.42So3结论通过

30、在不同气相入口速度G-LISR内流场进行数值模拟，对其流场特性进行分析对比，可以得出以下儿个结论：a）随着气相入口流速的增大，中心处的压力越高，加速管内的压力下降越快，梯度越明显，在壁面沿着z轴方向会形成压力损失，这种压力损失会随着气流速度的减小而下降。b）随着气相入口流速的增大，气流扰动的范围儿乎没有改变，而各区域的湍动能增大，撞击面及壁面的能量损耗增大，气相中携带的液粒停留时间减少。由于壁面的限制，y=0截面上的速度分布呈现“蝶型”，在z轴方向和壁面之间形成漩涡，而这些漩涡会对周围流体产生卷噬并向出口移动，这能够提高G-LISR内湍流强度，从而促进相间混合，但随着气相入口流速的增大，大量气

31、相携带液粒碰撞壁面而粘附在壁面上，不利于G-LISR内两相的混合进程。c）气相流速由10m/s增加至15m/s时，液粒在轨迹上各处的停留时间为前者的0.83倍，而随着气相流速继续增加至20m/s,其停留时间继续减少至10m/s情况下的0.53倍。因此，气相初始流速的增大不利于液粒在G-LISR内的停留，不利于气液两相的混合。d）当初始速度由10m/s增大到15m/s时，浓度减小至原来的0.3倍；当初始速度由15m/s增大到20m/s时，浓度缩小至原来的0.66倍。因此，气相初始速度的增加使湍动能增强，但液粒的浓度反而下降，所以气相流速不宜取太大。e）当气相初始流速为10m/s时，液粒平均停留时

32、间为0.81s,气相初始流速为15m/s时，液粒平均停留时间为0.67s,气相初始流速为20m/s时，液粒平均停留时间为0.42so以上研究可以发现，随着气相入口流速的增大，反应器内湍流强度有所增加，压力波动最剧烈的撞击面中心点处的压力也急剧增大；同时增大气相初始流速，降低了液粒于反应器中的浓度分布，减少了液粒相在反应器中的停留时间。从能量损耗和气液两相在反应器中的混合效果来看，气相初始流速不宜过大，10m/s最佳。符号说明dp液粒直径，|iin加速管有效长度，mmfn气液两相相间作用力，N曳力系数Uj"pi静压力，N气体密度,kg/m3气相气体速度，m/s加速管出口处液粒速度，m/

33、s气相速度，m/sPaPp气相密度,液相密度,应力张力,kg/m3kg/m3液粒的位移量参考文献：LU伍沅.撞击流：原理性质应用M.北京:化学工业出版?±,2006:1-32伍沅.撞击流性质及其应用J.化工进展,2001,20(11):8-13.WuYuan.PropertiesandapplicationofimpingingstreamsJ.ChemicalIndustryandEngineeringProgress,2001,20(11):8-13.13WuY,XiaoY,ChenY.SubmergedcirculativeimpingingstreamreactorJJ.Ch

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