1、第33卷第3期2017年6月化學反應工程與工藝ChemicalReactionEngineeringandTechnologyVol33,No6June2017文章編號：10017631(2017)03022709DOI:10.11730/j.issn,1001-7631.2017.03.0227.09G-LISR不同氣相入口流速對流場特性的影響姜展翔徐蕾I向東楊俠1,郭釗1,楊清21. 武漢工程大學機電工程學院，湖北武漢430073:2. 武漢鑫瑞澤科技有限公司，湖北武漢430000摘要：為了提高氣液撞擊流反應器(G-L1SR)的混合性能，找到合適氣相入口速度的操作參數，采用ANSYSWor

2、kbench中的Geometry模塊，基于歐拉-拉格朗日法建立G-LISR氣液兩相流動數學模型。在加速管對置距離為400mm,液相入口速度為5m/s,三種不同的氣相入口速度(10,15,20m/s)條件下，用數值模擬軟件Fluent分析模擬出了不同氣相入口流速下反應器內流場的分布特征。模擬結果表明：隨著氣相入口初始流速的增大，反應器內湍流強度有所增加，在壓力波動最為劇烈的撞擊面中心點處，壓力急劇增大。增大氣相初始流速，將降低反應器中的液滴的濃度分布，減少了液相在反應器中的停留時間。從能量損耗和氣液兩相在反應器中的混合效果來看，氣相初始流速不宜過大，lOm/s為較佳。關鍵詞：氣液兩相撞擊流撞擊流

3、反應器氣相入口速度數值模擬流場特性中圖分類號：O359+.1文獻標識碼：A化工反應器的傳質及混合效果對反應的質量及效率影響重大IF。撞擊流(ImpingingStream)是化學工程領域中一種強化傳質、促進混合的技術與方法，這一概念最早是由Elperin4于20世紀60年代提出的，其原理是兩股流體在撞擊的瞬間能夠產生極大的相間相對速度，并形成一個相對狹窄的高度湍動的區域，能夠極好的提高熱、質傳遞效率IM】。國內外學者已經對氣液相撞擊流進行了理論分析與實驗研究。顏杰等依據撞擊流原理，設計了一款新型撞擊流濃縮器，通過實驗及模擬研究獲得了反應器內氣液兩相溫度、速度、濃度等的唯一變化規律。孫勤等采用脈

4、沖示蹤法，測定了氣液撞擊流過程中，液相的停留時間分布。國外學者Ogawa等采用熱線實驗對反應器內部流場進行測量，探究了氣液撞擊流中湍流強度影響撞擊面空間分布的規律。Hosseinalipour等的對一種撞擊流干燥器中單顆粒在過熱蒸汽中的運動進行了模擬研究，分析了顆粒的運動軌跡和停留時間等參數。隨著國內外學者對撞擊流技術研究的深入，研究方向從單一形式的氣-固兩相撞擊流拓展到氣-液、液液、液-固兩相撞擊流和氣液固多相撞擊流的研究，現在已被廣泛應于脫硫脫硝I】、干燥、萃取、結晶Ml、污水處理、水煤漿氣化、納米材料制備等化工生產工藝中。本工作所研究的氣液相撞擊流反應器(Gas-Liquidimping

5、ingstreamreactor,G-LISR)是用于面向環保行業，廚房油煙廢氣的凈化處理裝置。為了提高G-LISR的混合性能，將通過商用數值軟件Fluent來模擬在不同的氣相速度下G-LISR內流場進行了數值模擬，對結果進行分析比較，選出最為適合氣相入口速度的操作參數。收稿日期:2017-04-27;修訂日期:2017-06-I3o作者簡介：姜展翔(1991),男，碩士研究生;楊俠(1978),男，教授,通訊聯系人。E-mail:3095068802o基金項目：國家自然科學基金(51276131)。1流場的數值模擬1.1數學模型氣液撞擊過程中，將氣相處理為連續相，直接采用時均納維-斯托克斯方

6、程求解；液相的體積分數很低，處理成離散相。離散相和連續相之間存在有動量、質量和能量的相互作用，這些相互作用通過各相的控制方程中的相間傳輸模型進行耦合。本文采用歐拉-拉格朗日方法”89對氣液流場的相互作用進行探討。1.1.1氣相控制方程連續性方程：(1)式中角標i,，表示坐標方向；表示氣體密度，kg/m3；(7/表示氣體速度，m/s。動量守恒方程：氣pu)+(puu)=_aP+"j+fdt1dx1JSTkja羌(2)Jir=(E)1囊+知ijT)I3ill'j)"T=C.pk2k其中F為靜壓力，勺為應力張力，無為氣液兩相相間作用力。研究發現m-221,氣液兩相流動中液

7、粒與氣體的相互作用改變了氣體的剪切力，同時，液粒相流動中往往會對氣相產生阻力。通過比較幾種常用的湍流模型數值模擬結果，發現標準模型在大多數情況下依舊能獲取到比較好的結果。因此，采用佇£模型，控蒯方程包括湍I動能方程和耗散能方程。6z.xd/"dk一(網)+(pkU、=Q|"+|dtdxJ)dxLkk.dx"j+G_彥dx11/(CG+Cqe)1k1U(3)(4)(5)(6)(7)G=J蘭*萱'S駕dxj式(5)(6)(7)中各常數的值如下：G=0.09,G=l.44,C2=1.92,%=1.3,以=1.0。1.1.2液相運動方程由于G-LISR內

8、液相占有體積分數很小，因此液粒之間的互相作用可以忽略。反應器內液粒相受(8)(8)到的主要作用力是相間曳力，忽略其他作用力。采用離散相模型，建立液粒相運動方程。m="UT)dt2式中s為液粒的位移量，V、U為液粒速度，月為曳力系數。L2幾何物理模型為了簡化G-LISR幾何模型和數值模擬過程，G-LISR設計采取軸對稱結構，其主要結構包括：內空圓筒型的反應器，高2000mm,直徑600mm。對于G-LISR來說，選擇加速管有效長度是極其重要的，學者伍沅通過對撞擊流理論知識的總結和整理，推導出了加速管有效長度的計算公式：".33夕pd式(9)中力為液相密度，所為氣相密度，為液粒

9、直徑，加為加速管出口處液粒的速度，為氣相速度，加速管出口處的液粒速度約為載氣速度的0.50.7倍本研究取：勺F.6%,4尸200呻。通過式(9)的計算可知，加速管有效長度不小于400mm,為了使氣液更好的預混合，本文圓柱形對置加速管，直徑100mm,長度500mm；加速管入口設置直徑10mm的噴嘴將液相霧化成小液滴,出料口直徑100mm。坐標系的原點選在兩加速管軸線中點，加速管軸線為尤軸，垂直徑相為軸,筒體中心軸線為z軸。G-LISR幾何模型如圖1所示。圖1G.LISR幾何模型Fig.1GeometricmodelofG-LISR圖2網格劃分情況Fg.2Meshing付G-LISR1.3網格模

10、型數值模擬采用ANSYSworkbench中的Mesh模塊對G-LISR模型進行分區網格劃分，考慮到流體在反應器內的流動范圍，加速管對置區域即撞擊區，流體在此區域內發生碰撞、混合與其他區域相比，流體更為活躍，所以網格較密集，采用四面體網格，Intervalsize選為5mm；而加速管中，氣相流體與液相流體在此區域存在預混合和相互干涉，所以Intervalsize選定10mm四面體網格。在反應器內撞擊區以外的地方，流體流動較為疏散一些，則采用四面體網格Itervalsize選為30mm,劃分結果如圖2所示。1.4邊界條件與求解方法液粒相進入加速管后，隨氣相在中心區域發生撞擊，直至液滴軌跡終止，選

11、取邊界條件如下：氣液兩相入口邊界條件均采用速度入口，出口邊界條件采用壓力出口，液粒壁面條件為“trap”，力口速管對置距離選取400mm,液粒相進口速度大小為5m/s,氣相入口速度大小分別取10,15,20m/s,氣相壁面邊界條件為無滑移壁面。采用瞬態分析，由于反應器內流場處于湍流狀態，氣相作為連續相采用基于歐拉坐標的標準模型，Simple分離解法求解氣的速度場、壓力波動隨時間和空間的變化規律；液粒相由于所占體積比例小于10%,采用基于拉格朗日的顆粒軌道模型，結合運動方程，求解其在反應器內的速度分布、濃度分布和停留時間的變化規律。考慮氣液兩間的相互作用對流場產生的影響，兩相采用耦合計算。2計算

12、結果與分析2.1氣相入口速度對氣相流場特性的影響（1）氣相壓力場結果與分析為了觀測反應器內流場特性中壓力場的分布情況，取穩定時刻（z=0）截面和y為。截面的壓力云圖，如圖3和圖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圖3不同氣流速度下z=0截面靜壓力分布Fig.3Thedistributioncontoursofstaticpressureindifferentinitialgasflowrateatz=Q從z為0截面壓力云圖可以看出，壓力分布集中在撞擊區域，中心處壓力最高，并向周圍呈現遞減規律。撞擊過后徑向流速轉為軸向，會與壁面發生碰撞，在壁面附近呈現一定的壓力梯度。隨著流速的增加，中心處的壓力越高，加速管內的壓力下降越快，梯度越明顯。i如1S3«i冶0I180gg965»

15、M)1I2101749r40l677*401600X)1532tO1<60*<0138B«91?44EI*碩9%皿419e<00圖4不同氣流速度下)=0截面靜壓力分布Fig.4Thedistributioncontoursofstaticpressureindifferentinitialgasflowrateat)=0從y為。截面壓力云圖可以看出，撞擊面附近沿z軸方向存在一個明顯的壓力梯度，這是因為撞擊過后氣流流動方向改變，從而在軸向上運動產生壓力梯度。同時，氣相撞擊反應器壁面，在壁面沿著z軸方向會形成壓力損失。這種壓力損失會隨著氣流速度的減小而下降。（2）氣相速

16、度場結果與分析為了觀測反應器內流場特性中速度場的分布情況，取穩定時刻z為0截面和y為0截面的速度云圖，如圖5和6所示。從圖5速度云圖可以看出，氣相初始速度的不同對反應器內z為0截面上的速度分布范圍影響不大，但在相同位置上氣相的速度大小有所不同。撞擊面中心點處的速度最小，碰撞過后x軸方向速度轉為y軸方向并沿著y方向呈遞減趨勢。x-y軸將z為0平面劃分出為四個象限，在各個象限內都形成中間流速低，外圍流速高的現象，這是因為當y軸方向運動的氣流碰撞到壁面時形成回流，會沿著y軸氣流方向到壁面到加速管方向的漩渦，增強了氣流于反應器內的擾動。隨著氣相初始流速的增加，這種擾動的范圍幾乎沒有改變但各區域的湍動能

17、增大，撞擊面及壁面的能量損耗增大,氣相中攜帶的液粒停留時間減少，不利于G-LISR內兩相的混合進程。(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圖5不同氣相初始速度下z=0截面速度分布Fig.5Thedistributioncontoursofvelocityindifferentinitialgasflowrateatz=0從圖6可以看出，y為0截面上的速度分布呈現“蝶型”，這是由于壁面的限制，會在z軸方向和壁面之間形成漩渦。而這些漩渦會對周圍流體產生卷噬并向出口移動，這能夠提高G-LISR內湍流強度,從而促進相間混合。但隨著氣相初始流速的增大，大量氣相攜帶液粒碰撞壁面而粘附在壁面上，從而對

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圖6不同氣相初始速度下)=0截面速度分布Fig.6Thedistributioncontoursofvelocityindifferentinitialgasflowrateaty=02.2氣相入口速度對液

20、相流場特性的影響（1）液粒軌跡分析如圖7不同截面速度矢量圖。取穩定時刻y為0截面和z為。截面氣相速度矢量圖進行分析,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圖7不同截面的速度矢量Fig.7Velocityvectorsatdifferentsection從圖7可以看出，在y為0截面四個象限內都出現貼近壁面處的速度會略大于遠離壁面處的速度，這是由于壁面的限制在這些區域形成了漩渦，貼近壁面的漩渦外側速度較于漩渦內側大，這就造成了在y為0平面各象限內出現中部速

22、度低于外側速度的現象；在z為。截面，氣相的流動非常復雜，會在壁面和z軸方向形成層層漩渦，這層層漩渦對周圍氣流產生卷噬，并隨著上升的氣流向出口移動，這就造成了在z為0平面內，速度分布呈“蝶形”。液粒在氣流的帶動下，進行運動，通過對液粒運動軌跡的捕捉，我們發現液粒的運動軌跡與氣相流場具有一致性。取不同氣相初始流速下液粒的運動軌跡，如圖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圖8不同氣相初始速度下液粒軌跡Fig.8Particletrajectoriesatdifferentinitialgasflowrate由圖8不同氣流速度下的液粒軌跡可以看出，撞擊后液粒速度由徑向轉為軸向，由于壁面邊界條件為“trap”所以當氣流攜帶液粒碰撞壁面后會粘附在壁面上，而部分液粒則朝著z軸正負方向做無規則運動，由于液粒的直徑很小，密度也不大，對氣流具有良好的跟隨性，所以氣相流場對液粒的運動具有重要影響。從三種不同氣相初始流速的液粒軌跡圖不難發現，軌跡上液粒于當前位置的停留時間不盡相同，會隨著氣相初始流速的增加停留時間減少，不同氣相流速下，液粒于軌跡上的停留時間呈反比關

25、系。氣相流速由10m/s增加至15m/s時，液粒在軌跡上各處的停留時間為前者的0.83倍，而隨著氣相流速繼續增加至20m/s,其停留時間繼續減少至10m/s情況下的0.53倍。這說明氣相初始流速的增大不利于液粒在G-LISR內的停留，即不利于氣液兩相的混合。（2）液粒濃度分析液粒相在流場中的濃度分布表征液粒在G-LISR內的分散特性。因而探討液滴濃度分布對明確液粒于反應器中的流場分布起到關鍵作用。不同氣相初始速度下液粒相在反應器內y為0和z為。截面的濃度分布如圖9和圖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圖9不同氣流速度下）=0截面液滴濃度分布Fig.9Thedistributioncontoursofliquidparticleconcentrationindifferentgasflowrateaty=0通過不同截面液粒相于反應器的濃度分布云圖可以看出，液粒濃度集中于撞擊區，從y為0截面來看，氣相初始速度

27、越小，液粒在反應器中的分布越均勻。隨著氣相初始速度的增大，液粒于反應器中的濃度大小縮小了一個數量級，當初始速度由15m/s減小到10m/s時，反應器中液粒濃度增大至原來的3.3倍；當初始速度由20m/s減小到10m/s時，反應器中液粒濃度增大至原來的4.4倍。從z為0截面來看，氣相速度的增大，液粒相湍流強度增強，濃度的分布范圍略有增加，但分布變得不均勻，且反應器中液粒的濃度有所下降。當初始速度由10m/s增大到15m/s時，濃度減小至原來的0.3倍；當初始速度由15m/s增大到20m/s時，濃度縮小至原來的0.66倍。因此，氣相初始速度的增加使湍動能增強，但液粒的濃度反而下降，所以氣相流速不宜

28、取太大。(a)I頃心1zB90*05.762KKIIIL心I4Igasflowrate10m/s(b)gasflowrate15m/sIenux，52XS，9MX625QSMb300.CS468KI5項皿IJIEC*IIgm2CBM13：)r«YA(c)gasflowrate20m/sGasflowrate/(ms1)圖11不同氣流速度下液粒停留時間Fig.l1Theresidencetimeoftheliquidparticleatdifferentgasflowrates圖10不同氣流速度下z=0截面液滴濃度分布Fig.10Thedistributioncontoursofliq

29、uidparticleconcentrationindifferentgasflowrateatz=0（3）液粒停留時間分析液粒的平均停留時間是其運動的重要特征量，也是表征氣液兩相混合效率的重要指標。取追蹤液粒的停留時間的平均值，探討不同氣相初始流速對液體粒停留時間的影響，如圖11所示。從圖11不同氣流速度下液粒停留時間中可以看出，氣流速度大小對液粒的停留時間有一定的影響，液粒平均停留時間與氣流速度呈相反趨勢。當氣相初始流速為10m/s時，液粒平均停留時間為0.81s,氣相初始流速為15m/s時，液粒平均停留時間為0.67s,氣相初始流速為20m/s時，液粒平均停留時間為0.42So3結論通過

30、在不同氣相入口速度G-LISR內流場進行數值模擬，對其流場特性進行分析對比，可以得出以下兒個結論：a）隨著氣相入口流速的增大，中心處的壓力越高，加速管內的壓力下降越快，梯度越明顯，在壁面沿著z軸方向會形成壓力損失，這種壓力損失會隨著氣流速度的減小而下降。b）隨著氣相入口流速的增大，氣流擾動的范圍兒乎沒有改變，而各區域的湍動能增大，撞擊面及壁面的能量損耗增大，氣相中攜帶的液粒停留時間減少。由于壁面的限制，y=0截面上的速度分布呈現“蝶型”，在z軸方向和壁面之間形成漩渦，而這些漩渦會對周圍流體產生卷噬并向出口移動，這能夠提高G-LISR內湍流強度，從而促進相間混合，但隨著氣相入口流速的增大，大量氣

31、相攜帶液粒碰撞壁面而粘附在壁面上，不利于G-LISR內兩相的混合進程。c）氣相流速由10m/s增加至15m/s時，液粒在軌跡上各處的停留時間為前者的0.83倍，而隨著氣相流速繼續增加至20m/s,其停留時間繼續減少至10m/s情況下的0.53倍。因此，氣相初始流速的增大不利于液粒在G-LISR內的停留，不利于氣液兩相的混合。d）當初始速度由10m/s增大到15m/s時，濃度減小至原來的0.3倍；當初始速度由15m/s增大到20m/s時，濃度縮小至原來的0.66倍。因此，氣相初始速度的增加使湍動能增強，但液粒的濃度反而下降，所以氣相流速不宜取太大。e）當氣相初始流速為10m/s時，液粒平均停留時

32、間為0.81s,氣相初始流速為15m/s時，液粒平均停留時間為0.67s,氣相初始流速為20m/s時，液粒平均停留時間為0.42so以上研究可以發現，隨著氣相入口流速的增大，反應器內湍流強度有所增加，壓力波動最劇烈的撞擊面中心點處的壓力也急劇增大；同時增大氣相初始流速，降低了液粒于反應器中的濃度分布，減少了液粒相在反應器中的停留時間。從能量損耗和氣液兩相在反應器中的混合效果來看，氣相初始流速不宜過大，10m/s最佳。符號說明dp液粒直徑，|iin加速管有效長度，mmfn氣液兩相相間作用力，N曳力系數Uj"pi靜壓力，N氣體密度,kg/m3氣相氣體速度，m/s加速管出口處液粒速度，m/

33、s氣相速度，m/sPaPp氣相密度,液相密度,應力張力,kg/m3kg/m3液粒的位移量參考文獻：LU伍沅.撞擊流：原理性質應用M.北京:化學工業出版?±,2006:1-32伍沅.撞擊流性質及其應用J.化工進展,2001,20(11):8-13.WuYuan.PropertiesandapplicationofimpingingstreamsJ.ChemicalIndustryandEngineeringProgress,2001,20(11):8-13.13WuY,XiaoY,ChenY.SubmergedcirculativeimpingingstreamreactorJJ.Ch

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