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1、第一章 文献综述1.1环流反应器的研究环流反应器是在强化鼓泡反应器发展起来的高效反应器，一类高效的气液，气液液或气液固多相反应器。它具有结构简单，液体力学性能好，易于工程放大，已在化工生产中得到广泛应用。1.1.1环流反应器的原理本文研究的气升式环流反应器基本外观结构,反应器外筒内部有一个导流筒,将反应器外筒内部划分为导流筒内侧(上升段)和导流筒外侧(下降段)2个区域。初始状态的反应器充有常温液态水。气相(空气)由反应器底部气体入口喷入反应器,沿上升段上升,并由反应器顶部的排气口排出。由于反应器上升段和下降段中混合物的气含率不同,在反应器的上升段和下降段之间形成了静压力差,反应器中的液体在气体
2、的带动下上升至导流筒顶部后,在静压力差的推动下,再由下降段回流至反应器底部,形成了气升式环流反应器内部物质循环流动的推动力1。1.1.2环流反应器的分类及特点【1.1】侯英华2等已对环流反应器的分类作了较详细的说明。主要有以下几种分类形式：（1）按流动形式分类按流动形式可分为内环流和外环流两种，图1-1中M1为通入反应器的流体流量，M2为液体循环流量，M3为总流量，则M3=M1+M2。气体或液体进入反应器后，由于流体的初始动量和密度的降低，使一侧流体向上，另一侧向下做循环流动，形成良好的混合反应条件。图1-1 内外环流反应器的示意图图1-2 多级式环流反应器示意图（2）按组成形式分类图1-1，
3、图1-3和图1-4所示均为单级形式。多级环流反应器有立式和卧式两种，图1-2（a）是用于废水处理的多级串联环流反应器，图1-2（b）是多导流筒立式串联反应器，图1-2（c）是多级卧式串联反应器。已有文献研究表明多级式反应器比单级式反应器不仅有较高的传质系数，而且能耗低。（3）按流体动力来源分类1）气升式环流反应器（ALR）。即气体由导流筒下部进入反应器，由于气泡在导流筒内外分布不同，使筒内外流体产生密度差而生成液体的环流运动。气升式环流反应器主要有中心气升、环隙气升三种形式（如图1-3）。图1-3 气升式环流反应器2）喷射式环流反应器（JLR）。利用喷嘴把液体或气体高速喷入反应器内，由于喷射推
4、动和静压差推动联合作用，流体在反应器内均匀混合并形成环流流动，输入流体的动能大部分转化为反应器中流体的湍流动能。通常这类反应器有较大的放大效应。喷射式环流反应器分为上喷和下喷两种（如图1-4）图1-4 喷射式环流反应器示意图图1-5 推进式环流反应器3）推进式环流反应器（PLR）。它适合处理高粘度物料，内部导流筒又可以作为换热器。但其搅拌轴不易密封，维修不便，易泄漏有害物质。4）压差式环流反应器。利用气体入口与出口的静压差产生环流，多用于压力较高的反应过程。5）机械搅拌式环流反应器。利用搅拌桨的搅拌作用是液体产生环流，这类反应器结构复杂，能耗较大，目前已淘汰。1.2 FLUENT软件介绍1.2
5、.1网格技术，数值技术，并行计算计算网格是任何CFD计算的核心，它通常把计算域划分为几千甚至几百万个单元，在单元上计算并存储求解变量，FLUENT使用非结构化网格技术，这就意味着可以有各种各样的网格单元：二维的四边形和三角形单元，三维的四面体核心单元、六面体核心单元、棱柱和多面体单元。这些网格可以使用FLUENT的前处理软件GAMBIT自动生成，也可以选择在ICEM CFD工具中生成。在目前的CFD市场， FLUENT以其在非结构网格的基础上提供丰富物理模型而著称，久经考验的数值算法和鲁棒性极好的求解器保证了计算结果的精度，新的NITA算法大大减少了求解瞬态问题的所需时间，成熟的并行计算能力适
6、用于NT，Linux或Unix平台，而且既适用单机的多处理器又适用网络联接的多台机器。动态加载平衡功能自动监测并分析并行性能，通过调整各处理器间的网格分配平衡各CPU的计算负载。FLUENT的湍流模型一直处于商业CFD软件的前沿，它提供的丰富的湍流模型中有经常使用到的湍流模型、针对强旋流和各相异性流的雷诺应力模型等，随着计算机能力的显著提高，FLUENT已经将大涡模拟（LES）纳入其标准模块，并且开发了更加高效的分离涡模型（DES），FLUENT提供的壁面函数和加强壁面处理的方法可以很好地处理壁面附近的流动问题。1.2.2动态和移动网格提供几种网格重构方案，根据需要用于同一模型中的不同运动部件
7、，仅需要定义初始网格和边界运动。动网格与FLUENT提供的其他模型如雾化模型、燃烧模型、多相流模型、自由表面预测模型和可压缩流模型相兼容。搅拌槽、泵、涡轮机械中的周期性运动可以使用FLUENT中的动网格模型（moving mesh）进行模拟，滑移网格和多参考坐标系模型被证实非常可靠，并和其他相关模型如LES模型、化学反应模型和多相流等有很好的兼容性。1.2.3 化学反应模型化学反应模型，尤其是湍流状态下的化学反应模型在FLUENT软件中自其诞生以来一直占着很重要的地位，多年来，FLUENT强大的化学反应模拟能力帮助工程师完成了对各种复杂燃烧过程的模拟。涡耗散概念、PDF转换以及有限速率化学模型
8、已经加入到FLUENT的主要模型中 ：涡耗散模型、均衡混合颗粒模型，小火焰模型以及模拟大量气体燃烧，煤燃烧、液体燃料燃烧的预混合模型。预测NOx生成的模型也被广泛的应用与定制。许多工业应用中涉及发生在固体表面的化学反应，FLUENT表面反应模型可以用来分析气体和表面组分之间的化学反应及不同表面组分之间的化学反应，以确保表面沉积和蚀刻现象被准确预测。对催化转化、气体重整、污染物控制装置及半导体制造等的模拟都受益于这一技术。 FLUENT的化学反应模型可以和大涡模拟（DES）及分离涡（DES）湍流模型联合使用，这些非稳态湍流模型耦合到化学反应模型中，我们才有可能预测火焰稳定性及燃尽特性。多相流模型
9、多相流混合物广泛应用于工业中，FLUENT软件是在多相流建模方面的领导者，其丰富的模拟能力可以帮助工程师洞察设备内那些难以探测的现象，Eulerian多相流模型通过分别求解各相的流动方程的方法分析相互渗透的各种流体或各相流体，对于颗粒相流体采用特殊的物理模型进行模拟。很多情况下，占用资源较少的的混合模型也用来模拟颗粒相与非颗粒相的混合。FLUENT可用来模拟三相混合流（液、颗粒、气），如泥浆气泡柱和喷淋床的模拟。可以模拟相间传热和相间传质的流动，使得对均相及非均相的模拟成为可能。FLUENT标准模块中还包括许多其他的多相流模型，对于其他的一些多相流流动，如喷雾干燥器、煤粉高炉、液体燃料喷雾，可
10、以使用离散相模型（DPM）。射入的粒子，泡沫及液滴与背景流之间进行发生热、质量及动量的交换。VOF模型（Volume of Fluid）可以用于对界面的预测比较感兴趣的自由表面流动，如海浪。汽蚀模型已被证实可以很好的应用到水翼艇、泵及燃料喷雾器的模拟。沸腾现象可以很容易地通过用户自定义函数实现。1.2.4 前处理和后处理FLUENT提供专门的工具用来生成几何模型及网格创建。GAMBIT允许用户使用基本的几何构建工具创建几何，它也可用来导入CAD文件，然后修正几何以便于CFD分析，为了方便灵活的生成网格，FLUENT还提供了TGrid，这是一种采用最新技术的体网格生成工具。这两款软件都具有自动划
11、分网格及通过边界层技术、非均匀网格尺寸函数及六面体为核心的网格技术快速生成混合网格的功能。对于涡轮机械，可以使用G/Turbo，熟悉的术语及参数化的模板可以帮助用户快速的完成几何的创建及网格的划分。FLUENT的后处理可以生成有实际意义的图片、动画、报告，这使得CFD的结果非常容易地被转换成工程师和其他人员可以理解的图形，表面渲染、迹线追踪仅是该工具的几个特征却使FLUENT的后处理功能独树一帜。FLUENT的数据结果还可以导入到第三方的图形处理软件或者CAE软件进行进一步的分析。1.2.5 定制工具用户自定义函数在用户定制FLUENT时很受欢迎。功能强大的资料库和大量的指南提供了全方位的技术
12、支持。FLUENT的全球咨询网络可以提供或帮助创建任何类型装备设施的平台，比如旋风分离器、汽车HVAC系统和熔炉。另外，一些附加应用模块，比如质子交换膜（PEM）、固体氧化物燃料电池、磁流体、连续光纤拉制等模块已经投入使用。FLUENT自豪的是能持续满足广大行业客户的应用需求。客户能够得到业内最有经验的流体工程师的技术支持，以他们丰富的专业技能作为依靠。联系您当地的FLUENT分支机构，看看FLUENT能为您的工程项目提供何种帮助吧。1.2.6子模块FloWizard :为产品设计提供快速流动模拟FloWizard 软件是以设计产品或工艺为目的的快速流体建模软件。该计算流体动力学软件是专门为那
13、些需要了解所设计产品的流体动力学特性的设计工程师和工艺工程师研制的。设计者不再需要是流体模拟方面的专家就可以非常成功地使用FloWizard。因为它易学易用。在产品设计周期的初期，工程师就可以用快速流动模拟对产品方案进行流动分析，这就提高了设计的性能，降低了产品到达市场的时间。另外，FloWizard能够执行多个流体动力学设计任务。POLYFLOW:非牛顿流体、流变及粘弹性流体的数值分析软件POLYFLOW是专用于粘弹性材料流动模拟的有限元CFD软件。它适用于塑料、树脂等高分子材料的挤出成型、吹塑成型、拉丝、层流混合、涂层过程中的流动及传热和化学反应问题。另外也可用于模拟聚合物问题的流动，如可
14、进行聚合物熔化、石油、洗涤剂、印墨、悬浮物、泥土、液态食品原料及熔融玻璃的流动模拟。多年来，POLYFLOW在模拟粘弹性流动方面始终领先于其他软件。1.3本文研究的内容和目的本文将用CFD软件模拟气液在环流反应器中的混合过程的气液行为规律，主要考察了循环液速，气含率对气液混合过程的影响，用于寻找环己烷氧化反应的最佳反应条件。第二章 计算原理流体力学基本方程：连续性方程（质量方程），动量方程，能量方程，状态方程。描述粘性流体运动的N-S方程可以表示为：2.1质量方程 （2-1）上式左侧表示控制体积内的质量变化量，右端表示控制体积内的积累。该式为流体流动时的微分质量衡算方程，也称连续方程。任何流体
15、的流动均满足此方程，对稳态或非稳态流动、理想流体或实际流体，不可压缩流体或可压缩流体、牛顿性或非牛顿性流体均适用。对于不可压缩的稳态流动，由于：=常数,Sm=0,则上式可简化为 （2-2）2.2动量方程 （2-3）式中，,微流体的运动粘度。该运动方程中每一项都代表着作用在流体质点的力。式（2-3）中左侧一项表示惯性力；右侧项中表示质量力；表示压力梯度；表示粘性力。四种力中对流动起决定作用的是惯性力和粘性力，而压力则是在二者之间起平衡作用的力。2.3湍流方程湍流是自然界普遍存在的一种复杂的流体流动现象。所以，湍流的研究是物理学乃至科学中当今最重要的问题之一。湍流的复杂性决定了不能获得它的精确结果，为了求得近似的结果，人们进行了各种假定或处理，将真实的湍流运动，简化为经人设计的模型，使得模型与实际的湍流统计平均行为基本一致，构成湍流模式。良好的湍流模式所表现的数学模型，必须正确描述湍流中的平均流场和物质扩散的特征，而且既要有通用性又要计算简便。在 Euler 坐标系中，对流场的模拟已经发展为基于 Reynolds 时均方程及其关联量输送方程的统观模拟（ReynoldsAssociation Numerical Simulation, RANS）、直接数值模拟（Direct Numerical Simulation, DNS
