【《某回路反应器混合效果的数值模拟分析案例》2700字（论文）】

某回路反应器混合效果的数值模拟分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u3361某回路反应器混合效果的数值模拟分析案例 1203441.1计算流体力学概述 1272671.2控制方程 191161.2.1质量守恒方程 121261.2.2动量守恒方程 2241171.2.3能量守恒方程 2298851.3Fluent软件概述 21.1计算流体力学概述信息化时代的飞速发展，使得计算机的应用越来越广泛，并且在工程中对计算机的应用也早已成为了一种普遍现象。其中计算机流体力学CFD就经常用在一些物理状态的分析问题上。这是一个利用计算机来实现分析的软件功能，通过对计算机的使用，对分析的物体进行形象的描述，通过网格或者其他形象的图线等，完成对以一些流体的状态分析。比如他们的传热情况，看他们是否能够完成相对稳定的传输，为之后进行的实验提供一些理论依据；或者他们的流动状态等，通过混合的云图来判断流体的流动情况，是否为湍流等。这种计算流体李端就是利用一定的方程来解决现实中流体的动力选问题的典范，通过这种力学方程解决实际中的一些物理问题。1.2控制方程1.2.1质量守恒方程具体表达式为：（4-1）即（4-2）即：（4-3）1.2.2动量守恒方程描述粘性不可压缩流体的方程：（4-4）1.2.3能量守恒方程能量守恒方程可表示为：（4-5）这个式子的展开式：（4-6）计算流体力学就是通过上述步骤完成的分析的。1.3Fluent软件概述Fluent软件是现在流体模拟中广泛应用到的一款软件，通过借助三维建模软件对模型进行建模，然后在网格划分软件上对模型进行划分网格，形成计算区域，然后将划分完成的网格导入Fluent软件内部进行数值模拟。模拟的流程图如图所示；图4-1基本程序结构示意图Fig.4-1Schematicdiagramofbasicprogramstructure.在进行模拟时首先要做的第一件事就是对整个工作状态进行简化，将反应器的混合状态和混合过程进行实质性的简化，简化成一个简单的数学模型，方便进一步参数化的时候进行参数化分析，即Fluent的流体力学模拟，通过这一软件可以将混合物的混合状态和反应器的工作状态及受力情况形象的表述出来，通过混合云图或者混合过程曲线等可以有效的得出两种物料的混合情况。再就是对模型的选取，要保证符合湍流的特征，适用湍流模型才可以。因为在进行分析模拟时，对这种无规律的流动的模拟才是设计反应器的最初目的。只有在没有规律的流动中得出想要的结果，才能更加的贴近现实状况，实现对三维流体分布的具体分析。，还能将流体温度、压力等的变化考虑在内。1.3.1湍流模型的选择湍流模型的选择对于Fluent的数值模拟非常重要，合适的湍流模型会使计算的结果更加的准确，且可以很好的预测所要模拟的模型的内部流动状态[61]。并且在化工生产中，绝大部分的流动都是属于湍流，目前Fluent内部的湍流模型，针对气液两相流动而言，常用的有RNGk-ε模型、标准k-ε模型、可实现k-ε模型以及k-w模型等。标准k-ε模型是目前最常用的一种湍流模型，其适用于完全湍动的流动，在该模拟中，气液两相流属于完全湍动的流动。因此在该模型中采用标准k-ε模型作为湍流模型。1.3.2模型建立及网格划分本文中的气液混合文丘里是对称结构，为了更好地适应笔记本电脑的运行与储存性能，本文的计算流体分析是基于二维模型建立的。如下图4-2所示:图4-2二维模型图Fig.4-2Twodimensionalmodeldiagram整体的结构边界设置为：左侧淡蓝线为气体进口、上侧紫线为液体进口、右侧棕色线为流体出口，其余的蓝色线表示壁面。显然，结构中除了存在文丘里喉口外，在气液界面处存在直径较小的喉口，同时此喉口把气体腔与气液混合腔分隔开来。网格的密度是保证模拟精度的关键。对于本文结构，起初考虑结构性网格与非结构网格划分。而考虑到由于存在两个喉口，结构性网格分块比较复杂，本文选用非结构性网格划分结构。非结构性网格由四边形与三角形组成，在边界扭曲较大的情况下，网格会以三角形为主。在ICEM中进行全局元素标度因子设置，取为1.2，全局最大元素尺寸设置为3。为了边界处加密，进行了边界层与增长率设置，如图4-3所示:图4-3设置边界增长率Fig.4-3Setboundarygrowthrate图4-4全局最大元素尺寸设置为3时Fig.4-4Whentheglobalmaximumelementsizeissetto3如图4-2与4-3所示，整个结构划分为3848个单元，网格质量低于0.7的网格仅有122个。网格质量较差的点如图2-3中的亮点所示，其分布不集中，分散于第一个喉口处。所以本文进行了喉口处加密，如图4-4所示。其共产生了12925个网格，从网格质量占比可以看出，网格质量明显变好。本文将运用加密后的网格进行模拟运算。图4-5全局最大元素尺寸设置为3时的质量分布Fig.4-5Massdistributionwhenglobalmaximumelementsizeissetto3图4-6质量分布Fig.4-6massdistribution本文选择基于压力梯度的解决器，模拟过程选择瞬态。湍流模型选择标准的模型，以为流体涉及两项，所以打开多相流模型：Eulerian，如图4-7所示。图4-7Eulerian图Fig.4-7Eulerdiagram流体选择的材料分别为空气与含氯液体，空气的进口速度为0.2m/s，液体的进口速度为0.15m/s，出口设置为压力出口，出口压力大小为大气压，所有残差均设置为0.001。湍动能与其耗散的差分方式均选用二阶迎风，瞬态方程的差分计算选择一阶迎风。时间步长取0.05秒。图4-8曲线图Fig.4-8diagram1.3.3数值模拟结果如图4-8所示，从残差图可以看出，整套控制方程达到了条件收敛。数值模拟结果如图4-9，4-10，4-11，4-12。图4-9为0.2s\1.0s\1.8s时的速度云图，通过速度云图可以发现，随着时间的推进，气体被不断的吸入文丘里喷射器内部，液体速度较高，原因可能是液体进入文丘里喷射器之后在其内部形成的负压较小，导致压差较大，气体吸入的动力变大，因此气体的吸入量会很多。图4-10为0.2s\1.0s\1.8s时的体积分数云图，通过体积分数云图可以发现，一开始气体量比较少，随着液体的不断喷入，气体和液体逐渐发生混合，液体在中间形成射流，并与气体开始混合，轴线处液体的体积分数抓紧降低，气体的体积分数逐渐提高。此外，云图显示气液两相在混合段的出口位置混合完几乎完成，混合均匀之后的气液两相经过扩散段的加压作用被喷射出去。但是在扩散段的两侧有部分的液体，这是因为在扩散段的出口位置出现了少许的回流现象，图4-11为0.2s\1.0s\1.8s时的压力分布云图，借助压力分布云图可以促进理解文丘里喷射器的气液混合机理，在液体入口管道内部，压力最高，这是因为液体被循环泵进行了加压，加压之后的液体通过文丘里喷射器的喷嘴喷出，在混合段内部形成高速的液体，根据伯努利方程可知，一定条件下，速度越高，压力越小，在云图中也可以看出，混合段内部的压力最小，这为气体的引入提供了动力，气体被引入，气液两相在混合段内部混合，在混合段的出口位置，气液两相接近混合完成，混合过程中液体的速度会降低，然后气液两相在扩散段部分速度会进一步减小，压力会进一步提高，为喷入反应釜做准备。图4-12为0.2s\1.0s\1.8s时的速度矢量分布云图，速度矢量可以观察有无回流现象的出现，从图中可以发现，文丘里喷射器内部并无明显的回流出现，但是在扩散段出口位置有少量的回流，这对文丘里喷射器的混合会有促进的作用，但是会增大文丘里喷射器的磨损，二者如何取舍要依靠具体实际应用判断。图4-90.2s\1.0s\1.8s时的速度云图Fig.4-9Velocitynephogramat0.2S,1.0sand1.8s图4-100.2s\1.0s\1.8s时的体积分数云图Fig.4-10Volumefractionn