圓環(huán)擋板振蕩流反應(yīng)器濃度場的數(shù)值模擬.pdf

1、振蕩流反應(yīng)器的數(shù)值模擬，還停留在對反應(yīng)器速度場的模擬研究階段。研究應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)對振蕩流反應(yīng)器的濃度場進(jìn)行數(shù)值模擬研究，為模擬化學(xué)反應(yīng)打下一個(gè)堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。同時(shí)，濃度場的模擬對于注入分散特性的研究，對于振蕩流反應(yīng)器的流動(dòng)模型的研究都具有重大的意義，它為完成這方面的工作提供了另一種方法。 本文借助商業(yè)計(jì)算流體力學(xué)軟件Gambit和CFX，對五腔室圓環(huán)擋板振蕩流反應(yīng)器進(jìn)行幾何建模，考慮了反應(yīng)器的進(jìn)、出料管與注入分散管等復(fù)雜的幾何

2、結(jié)構(gòu)；采用了混合結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值離散，在物理邊界處加密網(wǎng)格，建立了包含568,699個(gè)網(wǎng)格的計(jì)算模型，計(jì)算的準(zhǔn)確性與速度兼顧。鑒于實(shí)驗(yàn)過程中流動(dòng)的復(fù)雜性，采用均相自由表面流模型建立流動(dòng)的傳遞方程，采用網(wǎng)格變形模擬振蕩邊界條件，對湍流過程用K-ε方程來進(jìn)行模擬。數(shù)值計(jì)算階段對時(shí)間導(dǎo)數(shù)項(xiàng)的離散采用二階向后歐拉差分，對流項(xiàng)用High Resolution格式。 以前針對濃度場的研究，大多是用濃度計(jì)測出一系列

3、點(diǎn)處的濃度值。這種方法受濃度計(jì)靈敏度限制比較大，測量的方法會對原來的速度場會產(chǎn)生干擾性影響。因?yàn)闊o需濃度計(jì)測量，數(shù)值模擬方法不但不會對速度場產(chǎn)生干擾，而且還能給出示蹤劑隨的質(zhì)量傳遞和速度場之間的關(guān)系，有助于從機(jī)理上分析示蹤劑的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。對振幅為2.7mm，振蕩頻率為1.67Hz，無凈流條件下，示蹤劑濃度的演化情況的模擬表明：振蕩流反應(yīng)器中主體流動(dòng)與漩渦構(gòu)成的二次流動(dòng)對腔室中心區(qū)域的交替控制促成了強(qiáng)烈的徑向混合，使注入管心區(qū)的示蹤劑在一至

4、二個(gè)振蕩周期中迅速分散到整個(gè)管截面范圍。二次流漩渦相對封閉的流場結(jié)構(gòu)也影響了其內(nèi)部流體與主流區(qū)流體間的質(zhì)量傳遞，因此示蹤劑在軸截面上的均勻分布需要10個(gè)以上的振蕩周期。 研究把模擬得出的濃度場用于分析注入分散過程振蕩流反應(yīng)器的混合效率。定義一個(gè)腔室中的濃度方差C作為判斷混合效率的依據(jù)，結(jié)果表明，C值的變化分成兩個(gè)階段：第一階段，C值隨時(shí)間快速下降，注入的示蹤劑從注入口傳遞到整個(gè)腔室；第二階段，C值隨時(shí)間緩慢變化，腔室內(nèi)的示蹤劑分

5、布逐漸均勻，并與周圍腔室進(jìn)行傳遞，C值是腔室內(nèi)混合和腔室間混合共同作用的結(jié)果。 研究模擬了不同振蕩條件下的濃度場，并分析振蕩條件對振蕩流反應(yīng)器混合效率的影響，結(jié)果表明，基于長程對流混合和短程湍流擴(kuò)散雙模式傳遞模式的二項(xiàng)指數(shù)衰減曲線方程能夠較好地描述示蹤劑濃度分布方差值隨時(shí)間的變化(C～t關(guān)系)。用參數(shù)表征的混合效率說明振蕩雷諾數(shù)越大，混合效率越高，但所需要的振蕩裝置的負(fù)荷和能耗也越大，實(shí)際選取振蕩裝置時(shí)應(yīng)綜合考慮這些問題。