靜態(tài)混合器內(nèi)停留時(shí)間分布的數(shù)值模擬分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u1923靜態(tài)混合器內(nèi)停留時(shí)間分布的數(shù)值模擬分析案例 1155511.1FLUENT軟件介紹 1164331.1.1模型建立及網(wǎng)格劃分 1290781.1.2邊界條件和模擬工況 2314031.1.3模擬方法 2220951.3模擬結(jié)果分析 3129681.3.1SK靜態(tài)混合器內(nèi)流場(chǎng)模擬結(jié)果分析 351231.3.2SK靜態(tài)混合器內(nèi)湍流動(dòng)能模擬結(jié)果分析 4461.3.4SK靜態(tài)混合器內(nèi)RTD模擬結(jié)果分析 4近年來(lái)，計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)作為一種研究手段在反應(yīng)器領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。相對(duì)于實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)能更直觀的研究混合器內(nèi)混合元件的作用機(jī)制、詳細(xì)的局域流場(chǎng)，并且為實(shí)驗(yàn)研究提供支持和驗(yàn)證。數(shù)值模擬是以計(jì)算機(jī)為主，用數(shù)值計(jì)算和圖像顯示的方式完成對(duì)流場(chǎng)問(wèn)題進(jìn)行研究的。實(shí)際上是用計(jì)算機(jī)來(lái)做實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而形象地再現(xiàn)流動(dòng)情況。常用的計(jì)算流體力學(xué)軟件CFD有：FLUENT,CFX,STAR-CD,PHOENICS等，本文采用FLUENT軟件對(duì)SK靜態(tài)混合器內(nèi)的停留時(shí)間分布進(jìn)行研究。1.1FLUENT軟件介紹FLUENT是用于計(jì)算流體流動(dòng)和傳熱問(wèn)題的程序，是目前功能最全面、適用性最廣、國(guó)內(nèi)使用最廣泛的CFD軟件。從而高效地解決各個(gè)領(lǐng)域的復(fù)雜流動(dòng)計(jì)算問(wèn)題[56]。用FLUENT軟件搞流體模擬計(jì)算GAMBIT搞流動(dòng)區(qū)域幾何形狀的建設(shè)、邊界類(lèi)型以及網(wǎng)格的產(chǎn)生，再輸出用于FLUENT求解器計(jì)算；1.2數(shù)值模擬1.1.1模型建立及網(wǎng)格劃分采用PRO/E軟件做了幾何模型，之后使用FLUENT系列的GAMBIT中用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格對(duì)幾何體做結(jié)構(gòu)劃分。SK型靜態(tài)混合器模型是為Di=40mm，L=750mm和Di=80mm,L=1300mm。管內(nèi)混合元件長(zhǎng)徑比為1.25,厚2mm。相鄰的兩個(gè)混合元件成90°排列，針對(duì)4對(duì)混合元件進(jìn)行測(cè)量。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1SK型混合器幾何模型與檢測(cè)位置示意圖圖2給出了SK靜態(tài)混合器模型局部放大圖。圖2靜態(tài)混合器網(wǎng)格劃分示意圖1.1.2邊界條件和模擬工況模擬物料為水與NaCl溶液，模擬工況為常溫，流速分別為0.02m/s，0.04m/s，0.05m/s，入口邊界是作為條件速度入口，出口作為自由流出口，在計(jì)算里把靜態(tài)混合器的入口管路延長(zhǎng)，保證簡(jiǎn)化模型內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)為充分發(fā)展流動(dòng)的前提則假設(shè)會(huì)成立。其它未設(shè)置的面默認(rèn)為固壁無(wú)滑移光滑界面。1.1.3模擬方法本文用Fluent軟件模擬混合器內(nèi)流體的停留時(shí)間分布?；究刂品匠毯w里連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程。連續(xù)性方程為(4)運(yùn)動(dòng)方程為(5)Fluent軟件中流體的流動(dòng)的模型主要分湍流模型和層流模型，本文研究的是牛頓流體，文獻(xiàn)[57]以雷諾數(shù)RE=300作為劃分層流與過(guò)渡流的界限，在研究條件下，文里的雷諾數(shù)變化在795-3972之間，因而模擬實(shí)驗(yàn)均處于湍流狀態(tài)下?？紤]平均流動(dòng)中的旋轉(zhuǎn)及旋流流動(dòng)情況，因此可更好地處理高應(yīng)變率及流線彎曲程度較大的流動(dòng)問(wèn)題[43-44]，中的η反映了流動(dòng)的各向異性程度，當(dāng)η較小時(shí)，流動(dòng)的各向異性比較弱，η=0意味著流動(dòng)體現(xiàn)出各向同性，靜態(tài)混合器里有強(qiáng)旋磁場(chǎng)這個(gè)與η有關(guān)的附加產(chǎn)生項(xiàng)不能忽略。結(jié)合所有影響因子，本文選用RNG的湍流計(jì)算模型來(lái)模擬分析靜態(tài)混合器的停留時(shí)間分布情況，方程形式如下[44]方程為：(6)方程為：(7)其中：；；；；；；。停留時(shí)間分布的模擬用的兩個(gè)步驟，首先計(jì)算模擬物料的流場(chǎng)，示蹤劑加入濃度為0，計(jì)算中應(yīng)用Fluent三維單精度分離求解器。為了提高模擬的準(zhǔn)確性，計(jì)算過(guò)程中把濃度收斂殘差設(shè)定為，用的是面積加權(quán)平均也就是監(jiān)測(cè)截面的濃度代表截面內(nèi)平均的各節(jié)點(diǎn)濃度，在每組混合元件后設(shè)置監(jiān)測(cè)面，得出了四個(gè)監(jiān)測(cè)面的停留時(shí)間分布曲線。保證精準(zhǔn)計(jì)算，用的固定的時(shí)間步長(zhǎng)，其他取決于流體流動(dòng)上的時(shí)間，定混合器長(zhǎng)度與流速比值的百分之一作為里為時(shí)間步長(zhǎng)在此次計(jì)算。1.3模擬結(jié)果分析1.3.1SK靜態(tài)混合器內(nèi)流場(chǎng)模擬結(jié)果分析以管徑為80mm，u=0.05m/s，截面3為例進(jìn)行分析。圖3給了u=0.05m/s，截面3條件下的混合器的速度矢量圖，揭示了混合元件對(duì)流場(chǎng)的影響?？杀砻?，在SK型靜態(tài)混合器中由于螺旋形葉片的存在，在混合區(qū)流體沿靜態(tài)混合管壁向前移動(dòng)的同時(shí)，被迫沿螺旋葉片作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其旋轉(zhuǎn)軸心為管中心。流體自身也在繞半圓形截面的水力學(xué)中心作環(huán)形旋轉(zhuǎn)，正是這種自旋轉(zhuǎn)，使管內(nèi)在任一處的流體在向前移動(dòng)的同時(shí)，不僅將中心的流體推向周邊，而且將周邊的流體推向中心，說(shuō)明混合元件的增加可以在管內(nèi)產(chǎn)生漩渦，通過(guò)漩渦的產(chǎn)生，大大增大了液體的停留時(shí)間，漩渦內(nèi)的物質(zhì)交換及漩渦與主流區(qū)的物質(zhì)交換加強(qiáng)了管內(nèi)物質(zhì)的徑向混合，有利于混合器內(nèi)物料的擴(kuò)散和延長(zhǎng)在混合器內(nèi)的停留時(shí)間，客觀上起到了提高混合效果的作用，這與先前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致[59]。流體從SK型靜態(tài)混合器的入口處被割為兩股，并用相反的方向旋轉(zhuǎn)。從圖3中可以發(fā)現(xiàn)兩股流體的流動(dòng)有相似性、對(duì)稱(chēng)性。這是因?yàn)閮晒闪黧w被螺旋葉片分割成兩股單獨(dú)流體后，由于其操作條件和邊界條件相同，故兩股流體的流動(dòng)規(guī)律是相似的。SK型靜態(tài)混合器的螺旋葉片是關(guān)于軸向?qū)ΨQ(chēng)的，并且從截面的速度矢量圖中發(fā)現(xiàn)，截面的速度分布關(guān)于截面的中心對(duì)稱(chēng)。因此，可知SK型靜態(tài)混合器速度場(chǎng)分布關(guān)于其軸線對(duì)稱(chēng)。1.3.2SK靜態(tài)混合器內(nèi)湍流動(dòng)能模擬結(jié)果分析湍流強(qiáng)度表示速度波動(dòng)值與時(shí)均速度的相對(duì)大小，湍動(dòng)能表示速度波動(dòng)的能量值。從湍流動(dòng)能分布圖4可知，湍流動(dòng)能在靜態(tài)混合芯附近分布最密，湍流動(dòng)能最大，能量損失主要集中在此。主要原因是由于相連的葉片之間錯(cuò)開(kāi)90°夾角，且扭旋方向發(fā)生改變，使流體在流入下一個(gè)螺旋葉片時(shí)被迫發(fā)生翻動(dòng)，湍動(dòng)程度增加，加強(qiáng)了流體的徑向混合。流量增加對(duì)軸向和周向上湍流強(qiáng)度的影響較小，而徑向湍流強(qiáng)度比軸向和周向高，且與流量近似成正比。湍動(dòng)能與流量近似呈拋物線關(guān)系，在本論文的雷諾數(shù)范圍內(nèi)，湍動(dòng)能隨流量增加而增加的趨勢(shì)較緩慢。1.3.3SK靜態(tài)混合器內(nèi)壓力場(chǎng)模擬結(jié)果分析混合元件的存在不可避免地增加了流體沿流動(dòng)方向的阻力。流體流經(jīng)混合元件產(chǎn)生壓力降實(shí)際上是流體通過(guò)各元件的壓力降總和。從流場(chǎng)壓力分布圖5可知，管道進(jìn)出口壓力分布比較均勻。在混合區(qū)由于流體在流動(dòng)過(guò)程中被混合元件所分割，且每流過(guò)一個(gè)混合元件的距離，其旋向變化，在流體不斷被切割所產(chǎn)生的阻力下，內(nèi)部壓力成階梯狀逐減，且壓力降主要匯聚在這，且隨流量的增加而增加，故在增加流量提高湍流性能的同時(shí)也同時(shí)考慮壓力的損失造成的能耗影響。流體流經(jīng)SK型靜態(tài)混合器的壓降跟流體的性質(zhì)、流速、與混合器的幾何尺寸、結(jié)構(gòu)以及布置形式緊密相關(guān)。由此可見(jiàn)，混合元件的加入對(duì)混合器流場(chǎng)、湍流動(dòng)能及壓降等的影響也是顯而易見(jiàn)的。這種影響也給反應(yīng)器優(yōu)化方案提供了方法。采用上述模型所得到的流場(chǎng)分布、湍流動(dòng)能及壓力分布與前述文獻(xiàn)的結(jié)果相符[59]，可表現(xiàn)本文選用的模型符合要求的，進(jìn)可以用來(lái)分析靜態(tài)混合器內(nèi)的停留時(shí)間分布。1.3.4SK靜態(tài)混合器內(nèi)RTD模擬結(jié)果分析以Di=80mm為例，SK靜態(tài)混合器內(nèi)停留時(shí)間分布的模擬結(jié)果如圖6所示。示蹤劑在相同流速下SK型靜態(tài)混合器停留時(shí)間大于空管，物料在SK型靜態(tài)混合器中反應(yīng)更加充分，還隨著混合元件個(gè)數(shù)的增加混合的效果更好。但，監(jiān)測(cè)面所監(jiān)測(cè)到的示蹤劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)整體呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，說(shuō)明監(jiān)測(cè)位置越遠(yuǎn)，示蹤劑所占有的空間越大，故示蹤劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越小。SK型靜態(tài)混合器