2001年fluent用户大会文集

FLUENTFLUENT第一 用户大杨 -拉氏大涡模拟研究了鼓泡床内气液两相湍流流动，得到了气液两相湍流瞬态结构和产生机理。大涡模拟统计结果给出了有无气泡两种情况下的液体湍流脉动速度均分布。研究结果发现气泡脉动确实气液两相流动两相湍流大涡模拟鼓泡床以其结构简单、传热传质及反应特性良好等优点在化工和生物工程等领域有着广泛的应用。鼓泡床内气泡-液体两相湍流特性的研究近年来受到了国际上多相流学术界越来越大的重[1]T[2[3[4F模拟[5和涡模拟[6显示出气泡尾迹诱导的气泡和液体的强烈脉动。但是对实际的鼓泡床内含大量气泡的气液k模型并且忽略气泡湍流所进行的欧拉欧拉和欧拉拉氏统观模拟[12][7][8]两相湍V测量结果吻合得非常好。研究结果揭示出气泡湍流比液体湍流强，液体湍流脉动是由其自身速度梯度产生项和气泡作用项共同产生的。但是二阶矩两相湍流模型和其他湍流模型一样，只能给出统计平均量，无法从物理上给出两相湍流瞬态结构和产生的机理。近年来大涡模拟被广泛用于研究单相湍流，并且正在逐渐用于研究气粒两相湍流9，]，其优点是可以揭示湍流大涡的结构的产生和两相湍流相互作用机理，用以验证统观湍流模型，同时其计算量又比直接模拟的计算量小得多。到目前为止，尚未见到国内外有关含大量气泡的气液两相流动大液两相湍流流动的欧拉31为ui ui

uuuip i ij为亚网格尺度湍流应力，采用Smagorinsky-Lilly亚网格尺度模型进行封闭，取s u 1 us i t

，j j

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，S iS 2S

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iLmind,CV13，式中0.42C为模型常数，取

du 18CDReu

1duudtb b

2

b 计算域大小取为XLYL15.2cm1.1mxy方向网格尺寸为2mm，均匀网格数IMxJMy76550。数值模拟采用PISO算法求解 的全隐差分格式，对流项和扩散项采用Q CK差分格式。进口处加上周期性扰动，取5ui Iu，式中I为脉动强度，为 随机数。出口处给 为1.01310Pa。壁5u1lnEuy，式中0.418E9.793 使气泡-液体的相互作用达到收敛约需200h（8天）左右。2（t=0.5st=35s）单相液体瞬态速度等值线图。从图中可以看到通道旋，即湍流，从进口到下游开始加强而后又因耗散变弱.图3给出这些时刻的气泡-液体两相流动的液体瞬态速度等值线图.这时,由于剪切和气泡二者的共同作用,液体的湍流涡旋比无4显示出气泡的瞬态速度等值线图，从图中可以看出气泡的湍流涡旋比液体的更强。图5和图6分别给出了气泡和液对大涡模拟所得液体的瞬态速度值分别进行时平均和方差的均处理后，可得到液体时平均速度和湍流脉动速度均8、9、10h=55cm处有无气泡时液体纵向时平均速度、脉动速度均两个方向分量沿横向的分布曲线。从这些统计结果中，可以更清楚地看出，气泡的作用是增强了液体的湍流脉动。有气泡时液体脉动速度均比无气泡情况约提高了50%左右，说明气泡的作用是液体湍生的重要来源。这和二阶矩模型研究结果是一 2. 3气泡-)s/

D/ D/

TwoTwoPhase/0m(0nitoitucuacl0acVe0V

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TwoTwoPhase/m(yticoltnatnoroH

TwoTwoPhaseD/-0 0 D/图8液体垂 图9液体垂向脉动 图10液体横向脉动 参考文献LainS,BroderDandSommerfeldM.NumericalStudiesofthehydrodynamicsinabubblecolumnusingtheEuler-Lagrangeapproach,9thWorkshoponTwo-PhaseFlowPredictions,Merseburg,242-251,1999.DudukovicMP,Al-DahhanMH,GuptaP,KemounA,OngBC,PanY,RadosN,RoyS,WuY.DOEAirProductsProjectTechnicalReport,WashingtonUniversity,USA,1999MuddeRF,LeeDJ,ReeseJ,FanLS.AIChEJ.,1997,43：913-GozMF,SommerfeldM,BunnerB,MortazaviS,TryggvasonG.Proc.ASME-FEDSummerMeeting,PaperSM00-11151,2000LiY,ZhangJP,FanLS.ChemicalEngineeringScience,1999,54,5101-ChenCX,ZhangJP,LiY,FanLS.CFDConference,UnitedEngineeringFoundation,Quebec,2001 GalperinB,OrszagSA.LargeEddySimulationofComplexEngineeringandGeophysicalFlows.CambridgeUniversityPress,1993PanY,TanakaTand