大型鼓泡塔中布?xì)夥绞脚c列管內(nèi)構(gòu)件對(duì)流動(dòng)的影響研究
發(fā)布時(shí)間:2017-09-28 13:31
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【摘要】:鼓泡塔(漿態(tài)床)是一種常見(jiàn)的氣-液(氣-液-固)接觸與反應(yīng)裝置,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳質(zhì)傳熱快、混合均勻、無(wú)移動(dòng)部件及操作維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn),在化工、環(huán)境、生化、能源等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。工業(yè)費(fèi)托合成漿態(tài)床底部安裝有氣體分布器,其性能決定著氣泡初始尺寸和流動(dòng)參數(shù)的初始分布;內(nèi)部還安裝有密集的換熱列管束來(lái)移除大量的反應(yīng)生成熱,列管的存在顯著影響著床內(nèi)的流體流動(dòng)和傳熱傳質(zhì)規(guī)律,給反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與放大增加了很大的困難。因此,針對(duì)大型鼓泡塔的氣體分布器和換熱列管內(nèi)構(gòu)件開(kāi)展有關(guān)的流體力學(xué)研究,對(duì)這兩類(lèi)重要內(nèi)構(gòu)件的設(shè)計(jì)以及反應(yīng)器的放大都具有重要的應(yīng)用價(jià)值。然而,迄今為止的文獻(xiàn)中關(guān)于鼓泡塔的流體力學(xué)研究大部分針對(duì)的是低氣速、小塔徑及無(wú)內(nèi)構(gòu)件、充分發(fā)展段的情況,關(guān)于高氣速、大塔徑、含密集列管內(nèi)構(gòu)件的流體力學(xué)研究還很不充分,在分布器與密集列管束耦合作用下的鼓泡塔內(nèi)流動(dòng)規(guī)律還沒(méi)有得到明確的認(rèn)識(shí)。有鑒于此,本論文將針對(duì)高氣速湍動(dòng)鼓泡流型下的大型鼓泡塔內(nèi)分布器布?xì)夥绞胶土泄軆?nèi)構(gòu)件的配置對(duì)流動(dòng)的發(fā)展、流動(dòng)參數(shù)分布的影響開(kāi)展研究,采用實(shí)驗(yàn)測(cè)量及計(jì)算流體力學(xué)(CFD)兩種方法系統(tǒng)地研究空塔及帶內(nèi)構(gòu)件的鼓泡塔內(nèi)流體流動(dòng)規(guī)律,建立相應(yīng)的鼓泡塔流體力學(xué)模型,用于反應(yīng)器模擬與內(nèi)構(gòu)件設(shè)計(jì)。論文內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面:1.布?xì)夥绞綄?duì)鼓泡塔流動(dòng)影響的實(shí)驗(yàn)測(cè)量 采用電導(dǎo)探針和Pavlov管在外徑800111111(內(nèi)徑760mm)無(wú)列管的大型鼓泡塔冷模實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)測(cè)量了不同表觀氣速(0.08~0.62m·s-1)、三種布?xì)夥绞?均勻布?xì)、中心布(xì)饧敖诓細(xì)?情況下的平均氣含率、不同軸向高度的局部氣含率、軸向液速以及液相脈動(dòng)速度的徑向分布規(guī)律。實(shí)驗(yàn)表明,在無(wú)內(nèi)構(gòu)件的空塔內(nèi)分布器的影響只限于約3倍塔徑的局部范圍,塔中上部存在一個(gè)流動(dòng)參數(shù)分布與布?xì)夥绞胶退邿o(wú)關(guān)的充分發(fā)展段;但分布器產(chǎn)生的初始分布沿塔高的發(fā)展受到布?xì)夥绞健⒈碛^氣速及塔徑的影響:均勻布?xì)馀c中心布?xì)鈺r(shí)流動(dòng)發(fā)展比近壁布?xì)饪;同時(shí)表觀氣速越大,塔徑越小,流動(dòng)發(fā)展越迅速。2.布?xì)夥绞綄?duì)鼓泡塔流動(dòng)影響的CFD模擬建立了基于雙氣泡模型的三相(液相、大氣泡相以及小氣泡相)流體力學(xué)模型,對(duì)不同布?xì)夥绞较碌墓呐菟䞍?nèi)流動(dòng)進(jìn)行了模擬,計(jì)算的氣含率、軸向液速以及脈動(dòng)速度的三維分布與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合良好。模型反映了大小氣泡由于受到的橫向作用力方向不同,在塔內(nèi)將產(chǎn)生分離過(guò)程:大氣泡富集在中心區(qū)而小氣泡富集在近壁區(qū)。這種分離機(jī)制對(duì)氣含率的非均勻分布以及塔內(nèi)流動(dòng)的發(fā)展有重要的影響。雙氣泡模型能夠預(yù)測(cè)不同塔徑鼓泡塔的流體力學(xué)規(guī)律,反映分布器影響區(qū)隨著塔徑增大而延長(zhǎng)的現(xiàn)象。3.布?xì)夥绞綄?duì)列管塔內(nèi)流動(dòng)影響的實(shí)驗(yàn)研究在(?)800 mm鼓泡塔內(nèi)測(cè)定了不同布?xì)夥绞、列管密度以及表觀氣速下的氣含率、液速以及液相脈動(dòng)速度的三維分布,發(fā)現(xiàn)列管塔與空塔的流動(dòng)規(guī)律截然不同:空塔中氣體分布器的影響是局部性的,而列管塔中卻是全局性的,流動(dòng)參數(shù)的初始分布決定著其全塔分布,分布器影響區(qū)貫穿全塔,不同布?xì)夥绞疆a(chǎn)生的流動(dòng)規(guī)律完全不同,塔內(nèi)未觀察到充分發(fā)展段存在的跡象。大型列管塔中的這些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象刷新了對(duì)列管塔內(nèi)流動(dòng)圖案的認(rèn)識(shí),凸顯了氣體分布器在列管塔放大設(shè)計(jì)中的重要性。4.布?xì)夥绞綄?duì)列管塔內(nèi)流動(dòng)影響的CFD研究將列管內(nèi)構(gòu)件對(duì)流體的作用體積平均化,考慮為兩相流體力學(xué)方程中的動(dòng)量源項(xiàng)、湍流動(dòng)能源項(xiàng)以及湍流耗散源項(xiàng),同時(shí)對(duì)升力系數(shù)進(jìn)行修正以描述列管對(duì)氣泡橫向運(yùn)動(dòng)的影響。模型計(jì)算的氣含率、液速以及液相脈動(dòng)速度徑向分布與實(shí)驗(yàn)值大體相符。模型能夠反映小塔徑列管塔內(nèi)分布器影響區(qū)延長(zhǎng)、充分發(fā)展段中流動(dòng)趨于陡峭的現(xiàn)象,同時(shí)也能描述大型列管塔中初始分布的發(fā)展。根據(jù)模型,可以理解大型列管塔內(nèi)充分發(fā)展段消失的原因是:一方面,列管對(duì)湍流的抑制引起湍流粘度降低,而且在大塔徑內(nèi)湍流粘度的降低更為顯著,導(dǎo)致流動(dòng)沿塔高的發(fā)展減慢;另一方面,高氣速下列管對(duì)大氣泡橫向運(yùn)動(dòng)的阻礙使得氣泡由空塔內(nèi)的螺旋式上升變成列管塔內(nèi)的直線式上升,傾向于保持初始的氣含率與速度分布。5.針翅列管塔內(nèi)流體力學(xué)的研究提出采用針翅列管內(nèi)構(gòu)件技術(shù)來(lái)強(qiáng)化傳熱,同時(shí)降低列管塔內(nèi)分布器影響的敏感性。實(shí)驗(yàn)測(cè)量了針翅列管塔內(nèi)不同布?xì)夥绞较鹿呐菟䞍?nèi)流動(dòng)參數(shù)的分布,發(fā)現(xiàn)針翅列管具有流動(dòng)穩(wěn)定器的功能,能夠在一定程度上改善列管塔內(nèi)流動(dòng)參數(shù)的不均勻分布,緩解分布器影響過(guò)于敏感的現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn),針翅列管的非均勻布置將引起塔內(nèi)的氣體短路現(xiàn)象,而光滑管的非均勻布置對(duì)塔內(nèi)流動(dòng)影響不大。6.列管約束下氣泡運(yùn)動(dòng)規(guī)律的CFD模擬采用流體體積元(VOF)模型對(duì)受列管約束的氣泡運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行模擬,揭示列管內(nèi)構(gòu)件的“壁面效應(yīng)”,結(jié)果表明列管密度、列管布置方式及列管直徑對(duì)不同大小氣泡的運(yùn)動(dòng)軌跡、形狀、浮升速度、破碎以及湍動(dòng)行為的影響顯著,從氣泡運(yùn)動(dòng)角度進(jìn)一步認(rèn)識(shí)列管的空間限制作用,有助于理解列管塔中宏觀大尺度的兩相流動(dòng)規(guī)律。
【關(guān)鍵詞】:大型鼓泡塔 流動(dòng)發(fā)展 布?xì)夥绞?/strong> 列管內(nèi)構(gòu)件 CFD 氣泡運(yùn)動(dòng)
【學(xué)位授予單位】:浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】:博士
【學(xué)位授予年份】:2015
【分類(lèi)號(hào)】:TQ052
【目錄】:
- 致謝5-6
- 摘要6-8
- ABSTRACT8-15
- 符號(hào)說(shuō)明15-17
- 1 引言17-20
- 2 文獻(xiàn)綜述20-46
- 2.1 鼓泡塔內(nèi)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究20-30
- 2.1.1 流型劃分20-21
- 2.1.2 氣含率21-25
- 2.1.3 液相平均速度與脈動(dòng)速度25-28
- 2.1.4 氣泡特性28-30
- 2.2 鼓泡塔流體力學(xué)CFD模型30-37
- 2.2.1 氣液兩相連續(xù)性方程與動(dòng)量方程30-31
- 2.2.2 氣液相間作用力31-34
- 2.2.3 兩相湍流模型34-36
- 2.2.4 群體平衡模型36-37
- 2.3 氣體分布器37-41
- 2.3.1 分布器的類(lèi)型與設(shè)計(jì)37
- 2.3.2 分布器影響區(qū)與流動(dòng)的發(fā)展37-39
- 2.3.3 分布器對(duì)流動(dòng)的影響39-41
- 2.4 垂直列管內(nèi)構(gòu)件41-44
- 2.4.1 列管傳熱系數(shù)測(cè)量41-42
- 2.4.2 列管對(duì)流動(dòng)的影響42-43
- 2.4.3 列管影響的模型研究43-44
- 2.5 本文工作內(nèi)容44-46
- 3 實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)量方法46-54
- 3.1 實(shí)驗(yàn)裝置46-48
- 3.2 測(cè)量方法48-50
- 3.2.1 電導(dǎo)探針48-49
- 3.2.2 Pavlov管49-50
- 3.3 數(shù)據(jù)處理及誤差估計(jì)50-54
- 4 布?xì)夥绞綄?duì)無(wú)列管的鼓泡塔流動(dòng)影響的實(shí)驗(yàn)研究54-72
- 4.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容54
- 4.2 平均氣含率54-55
- 4.3 局部氣含率55-60
- 4.3.1 表觀氣速的影響55-56
- 4.3.2 軸向高度的影響56-58
- 4.3.3 布?xì)夥绞降挠绊?/span>58-60
- 4.4 軸向液速60-65
- 4.4.1 表觀氣速的影響60-61
- 4.4.2 軸向高度的影響61-63
- 4.4.3 布?xì)夥绞降挠绊?/span>63-65
- 4.5 液相脈動(dòng)速度65-70
- 4.5.1 表觀氣速的影響65-66
- 4.5.2 軸向高度的影響66-68
- 4.5.3 布?xì)夥绞降挠绊?/span>68-70
- 4.6 空塔的放大效應(yīng)70-71
- 4.7 小結(jié)71-72
- 5 布?xì)夥绞綄?duì)無(wú)列管的鼓泡塔流動(dòng)影響的CFD模擬72-87
- 5.1 雙氣泡徑向力平衡模型72-74
- 5.1.1 模型方程72-73
- 5.1.2 相間作用力本構(gòu)關(guān)系73-74
- 5.2 模型求解方法74-75
- 5.3 結(jié)果與討論75-85
- 5.3.1 氣含率75-77
- 5.3.2 流體速度77-80
- 5.3.3 湍流動(dòng)能80-81
- 5.3.4 氣泡橫向作用力分析81-82
- 5.3.5 與單氣泡模型比較82-84
- 5.3.6 空塔放大效應(yīng)的模擬84-85
- 5.4 小結(jié)85-87
- 6 布?xì)夥绞綄?duì)帶列管的鼓泡塔流動(dòng)影響的實(shí)驗(yàn)研究87-105
- 6.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容87-88
- 6.2 平均氣含率88-89
- 6.3 局部氣含率89-95
- 6.3.1 表觀氣速的影響89-90
- 6.3.2 列管密度的影響90-91
- 6.3.3 軸向高度的影響91-94
- 6.3.4 布?xì)夥绞降挠绊?/span>94-95
- 6.4 軸向液速95-99
- 6.4.1 表觀氣速的影響95-96
- 6.4.2 列管密度的影響96-97
- 6.4.3 軸向高度的影響97-98
- 6.4.4 布?xì)夥绞降挠绊?/span>98-99
- 6.5 液相脈動(dòng)速度99-103
- 6.5.1 表觀氣速的影響99-100
- 6.5.2 列管密度的影響100-101
- 6.5.3 軸向高度的影響101-102
- 6.5.4 布?xì)夥绞降挠绊?/span>102-103
- 6.6 分析與討論103-105
- 7 布?xì)夥绞綄?duì)帶列管的鼓泡塔流動(dòng)影響的CFD模擬105-120
- 7.1 密集列管束的多孔介質(zhì)模型105-107
- 7.1.1 模型方程105-106
- 7.1.2 列管束源項(xiàng)本構(gòu)關(guān)系106-107
- 7.1.3 升力系數(shù)的修正107
- 7.2 模型求解方法107
- 7.3 結(jié)果與討論107-119
- 7.3.1 氣含率108-109
- 7.3.2 軸向液速109-111
- 7.3.3 湍流動(dòng)能111-113
- 7.3.4 列管影響項(xiàng)的敏感性分析113-115
- 7.3.5 列管塔中分布器影響區(qū)放大效應(yīng)的討論115-119
- 7.4 小結(jié)119-120
- 8 帶針翅列管的鼓泡塔流體力學(xué)研究120-136
- 8.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容120-121
- 8.2 平均氣含率121-122
- 8.3 局部氣含率122-127
- 8.3.1 表觀氣速的影響122-123
- 8.3.2 列管類(lèi)型的影響123-124
- 8.3.3 軸向高度的影響124-126
- 8.3.4 布?xì)夥绞降挠绊?/span>126-127
- 8.4 軸向液速127-131
- 8.4.1 表觀氣速的影響127-128
- 8.4.2 列管類(lèi)型的影響128-129
- 8.4.3 軸向高度的影響129-130
- 8.4.4 布?xì)夥绞降挠绊?/span>130-131
- 8.5 液相脈動(dòng)速度131-133
- 8.5.1 表觀氣速的影響131-132
- 8.5.2 軸向高度的影響132-133
- 8.6 列管非均勻布置的影響133-135
- 8.7 小結(jié)135-136
- 9 氣泡在密集列管約束下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律模擬136-148
- 9.1 氣泡在管內(nèi)與管道間浮升的“壁面效應(yīng)”136
- 9.2 數(shù)學(xué)模型136-137
- 9.3 模型求解方法137-138
- 9.4 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性及模型驗(yàn)證138-139
- 9.5 結(jié)果與討論139-146
- 9.5.1 氣泡軌跡139-141
- 9.5.2 氣泡形狀141-142
- 9.5.3 氣泡上升速度142-144
- 9.5.4 氣泡破碎及湍動(dòng)行為144-146
- 9.6 小結(jié)146-148
- 10 結(jié)論及展望148-150
- 10.1 結(jié)論148-149
- 10.2 展望149-150
- 參考文獻(xiàn)150-161
- 作者簡(jiǎn)介161
【參考文獻(xiàn)】
中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前1條
1 張煜;湍動(dòng)鼓泡塔充分發(fā)展段的流體力學(xué)與內(nèi)構(gòu)件技術(shù)研究[D];浙江大學(xué);2011年
,本文編號(hào):936123
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