不同动量比撞击流反应器流场特性数值模拟.pdf

第卷 第期沈 阳 化 工 大 学 学 报.收稿日期:基金项目:国家自然科学基金()辽宁省兴辽英才计划项目()辽宁省自然科学基金()作者简介:张建伟()男辽宁义县人教授博士主要从事新型高效节能过程装备开发的研究.通信联系人:董鑫()女黑龙江哈尔滨人讲师博士主要从事环境流体多相流传递理论与技术的研究.文章编号:()不同动量比撞击流反应器流场特性数值模拟张建伟 安丰元 董 鑫 冯 颖 周春云 施博文(沈阳化工大学 机械与动力工程学院 辽宁 沈阳)摘 要:目前撞击流技术在化学工程及多种过程工业中具有广泛应用.为了对撞击流混合器内的流动特征进行更深入地研究利用数值模拟对撞击流混合器内流场特性进行分析.通过模拟得到不同动量比及不同喷嘴间距下撞击流反应器内流体速度、湍动能及压力分布探究不同入口动量比对撞击流混合器流场特性的影响.结果表明:在 截面上两喷嘴的动量比越大流体压力值越大压力梯度分布越大湍动能分布沿径向逐渐减小.对撞击面径向流体速度和压力进行分析研究发现:当喷嘴间距 时径向流体速度呈双峰分布流体压力呈单峰分布随着动量比的增加流体的速度和压力整体增大.当 时非等动量撞击下径向流体速度呈单峰分布等动量撞击()下撞击面径向上流体速度呈双峰分布非等动量撞击的压力水平均低于等动量撞击.关键词:撞击流 数值模拟 流场特性 动量比:./.中图分类号:文献标识码:撞击流()概念最早是由白俄罗斯科学家 于 年提出的由两股或者多股流量相等的流体相向撞击在中心产生一个高度湍动的撞击区域.撞击区可以极大地促进物料混合 广泛应用于萃取、干燥、吸收、气化 等方面.目前国内外学者主要通过数值模拟技术和实验的方法对撞击流混合器内流场特性进行分析.许建良等利用 实验技术和 模拟技术相结合的方法对不对称流场进行了测量.当喷嘴间距固定时撞击驻点的偏移随喷嘴直径和气速比的增大而增大当气速比不变时轴线驻点偏移随喷嘴间距增大而增大.等对两撞击流接触装置()进行了测试研究.在考察喷嘴直径对萃取效率的影响时发现在同轴流体间动量比恒定时萃取效率并不随直径的增大而单调变化而是当喷嘴直径增大到某一特定值时萃取的效率曲线才出现拐点即表现为在流速大于/时增大喷嘴直径萃取效率也随之增加而当流速小于 /增大喷嘴直径将使萃取效率降低.和 模拟了一种处理黏性物料的同轴撞击流混合器对传统的同轴喷嘴进行改进偏移了两对同轴喷嘴使其形成一定的错位结论显示较高的雷诺数只对两对喷嘴之间的区域有较好促进混合作用.李伟峰等采用热线风速仪和烟线法研究撞击面的稳定性根据气速差值变化来探究驻点在不同入口动量差值下的偏移规律同时得到偏移距离对喷嘴间距的敏感程度.孙志刚等采用热线风速仪对大喷嘴间距下两不对称喷嘴形成的对置撞击流的轴线速度分布和驻点偏移规律进行了实 沈 阳 化 工 大 学 学 报 年验研究结果发现两股射流关于撞击面是对称的撞击流驻点受两喷嘴动量比的控制随着动量比变化撞击流驻点向动量小的一侧喷嘴移动两喷嘴出口动量差别越大驻点偏离中心距离越大.揭示了在不对称的撞击下两股流体撞击行为受动量比的控制.罗燕等利用 技术模拟连续操作的液相撞击流混合器混合过程通过数值计算与实验验证混合时间的变化规律结果表明:随着输入比有效功率的增大混合时间先急剧减小后逐渐趋于平稳与经验公式或理论公式计算所得结果在数量级上完全一致.王洪福通过实验与数值模拟的方法对非对称撞击流反应器进行研究发现非对称撞击对流场内速度脉动分布以及湍动能分布有重要影响并且证明数值方法可以弥补实验无法测定中间过程参量的不足.大量研究表明:改变撞击流反应器入口平衡能够对反应器内流场产生影响而改变两侧入口动量比是改变入口平衡直接有效的方法.目前国内外针对液相撞击流混合器的不同动量比研究比较少大部分都是在等动量情况下进行不同物系混合的研究.设置两侧入口动量不相等能够使撞击流反应器内部流场呈现不对称性因此本文研究将对未来优化流场速度分布有一定的参考价值.针对单层浸没水平对置撞击流反应器进行数值模拟通过设计固定一侧入口速度改变另一侧入口速度从而实现两侧入口具有不同动量.通过模拟得到不同动量比及不同喷嘴间距下流场速度、湍动能和压力的分布情况探究不同动量比对反应器内流体流动特征的影响为后续撞击流反应器的混合强化机理与性能研究提供定量参考.模型建立 物理模型水平对置撞击流混合器结构如图 所示.模型高 内径为 喷嘴中心高 出口直径 .图 水平对置撞击流混合器结构示意图 输运方程采用 模型进行数值计算此模型满足对雷诺应力的约束条件增加了旋转和曲率等相关内容对流体的正应力进行某种数学约束适用于管道内流动、射流以及带有分离的流动等.输运方程为:()()()()().()其中:/()/为空隙率 为流体密度 为运动黏度为平均速度梯度产生的湍动能、分别为湍流动能 和湍流耗散率 的湍流普朗克数为湍流黏性系数 为时间、为速度矢量的分量方向()/为流体连续性方程源项.边界条件的设置数值模拟流体入口边界条件定义为 出口定义为 壁面定义为 选择 第 期张建伟等:不同动量比撞击流反应器流场特性数值模拟 三维单精度分离解算器和二阶迎风格式采用 算法求解流体压力与速度耦合压力方程采用二阶格式动量方程采用有界中心差分格式能量方程采用二阶迎风格式.介质选用水设置喷嘴直径 为最优工况 喷嘴间距 固定右侧入口速度工况为最佳工况/换算成速度为 /为 湍流强度为 改变左侧入口的速度实现不同动量比撞击.左右入口动量比设置 等几种工况.网格的划分与检验划分 种不同尺寸的网格根据撞击区网格尺寸大小的比较(见表)可以看出:通过单元大小计算的歪斜度均在 以内在网格尺寸为 时平均歪斜度为 相对最接近 网格质量较好网格数量为 .表 网格质量对比表 网格尺寸/歪斜度.最大值平均值网格数.为了进一步验证网格数量对计算精度的影响保持其他条件相同的情况下对 种数量网格下的驻点速度进行分析如图 所示.图 不同网格数量下驻点速度 可以看出:当网格数量较小时(万至 万)网格数量对计算结果影响较大当网格数量达到 后驻点速度变化不大.因此为了减少模拟计算时间和保证计算精度本文采用 数量网格进行数值模拟计算.结果与讨论 不同动量比下反应器流场特性图 为不同动量比条件下反应器 平面速度分布云图.可以看出撞击流反应器两喷嘴高速流体在反应器中央撞击后沿撞击中心平面径向分流当左右入口动量比相等()时撞击区流体速度呈现对称分布高速流体集中在中心区域当左右入口动量比不相等时撞击区流体分布不对称并偏向动量小的一侧动量比 值与 的绝对差值越大非等动量撞击越为明显随着动量比的增大撞击中心平面径向流体扩散的区域增大.图 为不同动量比条件下反应器 平面湍动能分布云图.可以看出不同动量比下撞击流反应器的的高湍动区都存在于撞击面处撞击面处流体的湍动能数值沿径向扩展逐渐减小等动量撞击()时撞击区流体的湍动能分布关于撞击轴线呈对称分布在非等动量撞击时高湍动能区域不断靠近动量较大的一侧入口这是因为反应器两侧入口速度大小产生差异加大了动量传递因此高湍动区偏向速度较大的一侧.沈 阳 化 工 大 学 学 报 年图 不同动量比下 平面速度分布云图 图 不同动量比下 平面湍动能分布云图 图 所示为不同动量比条件下反应器 平面压力分布云图.从图 中可以看出等动量撞击时撞击区有两个相互对称的高压力区域非等动量撞击时压力的最高点变为一个并且产生偏移远离动量较大的入口端在 和 时压力最高点的偏移量最大原因是两股流体相撞动能转变为流体的压能因此在两流体相撞的撞击点处压力值最大当两侧入口动量不相等时撞击面偏向入口动量小的一侧动量比越大压力最高点偏移量越大非等动量撞击时撞击区的压力最大值大于等动量撞击但等动量撞击时压力分布较均匀.图 不同动量比下 平面压力分布云图 不同喷嘴间距下撞击流反应器流场特性两股流体相向撞击流体由轴向运动转为径向运动流体径向扩展形成撞击面当动量比不同时撞击面偏向动量比小的一侧.获得不同喷嘴间距下撞击面径向流体速度及压力分布探究不同喷嘴间距下不同入口动量比对撞击流反应器流场特性的影响.不同喷嘴间距下径向流体速度分布图 为 时撞击面径向流体速度分布.从图 中可以看出不同动量比下撞击面径向流体速度值呈双峰分布且 轴负方向的速度值略高于 轴正方向的速度值说明流体在反应器下部的扩散速度要略高于反应器上部的扩散速度但整体的径向扩散速度基本对称.时不同动量比对径向流体速度的影响较小.这是因为当喷嘴间距过小时喷嘴喷出的流体能量过高撞击后径向扩展流体能量耗散不完全.图 为 时撞击面径向流体速度分布.在 时径向流体速度值呈双峰 第 期张建伟等:不同动量比撞击流反应器流场特性数值模拟 分布 时速度升降的差值最大.在 和 时径向流体速度值呈单峰分布 处流体速度值达到最大.说明当 且动量比 时撞击点处流体能量耗散不完全需要沿径向扩展一段距离能量才能完全发散.在 和 时流体在撞击中心相撞后能量完全耗散.图 撞击面径向流体速度分布 图 撞击面径向流体速度分布 图 为 时撞击面径向流体速度分布.从图 可以看出:时径向流体速度值呈双峰分布其他动量比下撞击点处径向流体速度呈单峰分布.说明当 时等动量撞击()时流体撞击后扩展不完全非动量比下流体撞击后扩展完全.原因是在 时等动量撞击下撞击面两侧流体能量是均衡的因此在撞击面处流体能量耗散不完全但在非等动量撞击下撞击面处两侧流体能量不均衡动量大的一侧流体对动量小的一侧流体产生冲击因此能量消耗完全.综上所述 时不同动量比对径向流体速度的影响较小 时撞击面径向流体速度随着动量比的增大而增大 时非等动量撞击下撞击面径向流体速度呈单峰分布等动量撞击下撞击面径向流体速度始终呈双峰分布.图 撞击面径向流体速度分布 不同喷嘴间距下径向流体压力分布图 为 时不同动量比下撞击面径向流体压力分布.不同动量比下撞击面径向流体压力呈单峰分布撞击点处压力达到最大值.随着动量比的增大撞击点处的压力值逐渐增大.这是因为入口动量比越大撞击点两侧流体的不平衡越强烈撞击点处流体受到的挤压越强烈.图 撞击面径向流体压力分布 图 为 时撞击面上径向流体的压力分布.可以看出:不同动量比下径向流体压力呈单峰分布.动量比 时撞击面径向流体压力水平最低 时径向流体压力水平最高高于最低压力约.随着动量比的增加压力的差值不断增加.说明在 时增大两侧入口动量比能够增强撞击区的压力水平有利于增强流场湍动与微团破碎.图 为 撞击面上径向流体的压力 沈 阳 化 工 大 学 学 报 年分布.从图 中可以看出:时撞击中心区的的压力最大 时撞击中心区的的压力最小最大压力高于最小压力约 压力大小随动量比变化为()()()()().说明在 时等动量撞击流场的压力水平大于非等动量撞击.原因是当喷嘴间距较大时等动量撞击会使流场更加平衡并呈现对称性而非等动量撞击时流场更加不平衡反应器内流场不具有对称性喷嘴喷出的流体在流动过程中阻力较大因此能量消耗较快压力水平更低.图 撞击面径向流体压力分布 图 撞击面径向流体压力分布 综上所述 时撞击面径向流体压力随着动量比的增大而增大 时等动量撞击流场的压力水平要大于非等动量撞击.结 论为了探究不同动量比对撞击流反应器流场特性的影响本文运用数值模拟方法对不同动量比及不同喷嘴间距下反应器内流体速度、压力以及湍动能进行研究得到以下结论:()在反应器 平面上两喷嘴的动量比越大压力值越高压力梯度越大但压力最高点较原点的偏移量也越大.速度分布与压力分布相似压力值大的位置流体速度值较小压力梯度越大的区域速度越大.湍动能沿 平面径向分布并且湍动能数值沿径向扩展逐渐减小.()探究不同喷嘴间距下动量比对撞击面径向流体速度的影响.当 时不同动量比对径向流体速度的影响较小当 等动量撞击()时径向流体速度值呈双峰分布.两喷嘴的动量比越大撞击区的径向流体速度峰值越大.()探究不同喷嘴间距下动量比对撞击面径向流体压力的影响.不同动量比下撞击面径向流体压力呈单峰分布撞击点处压力达到最大值.在 时随着动量比的增大撞击区径向流体压力增大在 时等动量撞击的压力水平高于非等动量撞击.参考文献:.:.梁腾波白净张璐等.撞击流技术在化学工程领域的研究与应用进展.石油化工():.张建伟张志刚冯颖等.撞击流反应器混合性能研究进展.化工进展():.黄凯刘华彦伍沅.循环撞击流干燥设备和过程研究.高校化学工程学报():.():.李友凤叶红齐何显达等.撞击流混合器微观混合性能的研究.高校化学工程学报():.胡立舜王兴军于广锁等.撞击流气液吸收特性及用于甲醇合成应用研究.高校化学工程学报():.第 期张建伟等:不同动量比撞击流反应器流场特性数值模拟 ():.许建良李伟锋曹显奎等.不对称撞击流的实验研究与数值模拟.化工学报():.():.(/):.李伟锋孙志刚刘海峰等.两喷嘴对置撞击流驻点偏移规律.化工学报():.孙志刚李伟锋刘海峰.大间距两不对称喷嘴对置撞击流驻点偏移规律.高校化学工程学报():.罗燕周剑秋郭钊等.液体连续相撞击流反应器中流体混合时间的数值模拟.化工学报():.王洪福.非对称高速撞击流反应器内流动特性的实验研究和数值模拟.北京:北京化工大学:.李镇江孙坤岩宋冠英.基于 数值模拟的新型撞击流反应器内管开孔优化.化工进展():.():.张建伟施博文冯颖等.浸没状态下液 液两相水平对撞浓度场的数值模拟.过程工程学报():.张建伟王诺成张学良等.基于 的浸没撞击流反应器的混合特性.过程工程学报():.():.(.).: