某回路反應(yīng)器混合效果的數(shù)值模擬分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u3361某回路反應(yīng)器混合效果的數(shù)值模擬分析案例 1203441.1計(jì)算流體力學(xué)概述 1272671.2控制方程 191161.2.1質(zhì)量守恒方程 121261.2.2動(dòng)量守恒方程 2241171.2.3能量守恒方程 2298851.3Fluent軟件概述 21.1計(jì)算流體力學(xué)概述信息化時(shí)代的飛速發(fā)展，使得計(jì)算機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛，并且在工程中對計(jì)算機(jī)的應(yīng)用也早已成為了一種普遍現(xiàn)象。其中計(jì)算機(jī)流體力學(xué)CFD就經(jīng)常用在一些物理狀態(tài)的分析問題上。這是一個(gè)利用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)分析的軟件功能，通過對計(jì)算機(jī)的使用，對分析的物體進(jìn)行形象的描述，通過網(wǎng)格或者其他形象的圖線等，完成對以一些流體的狀態(tài)分析。比如他們的傳熱情況，看他們是否能夠完成相對穩(wěn)定的傳輸，為之后進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)提供一些理論依據(jù)；或者他們的流動(dòng)狀態(tài)等，通過混合的云圖來判斷流體的流動(dòng)情況，是否為湍流等。這種計(jì)算流體李端就是利用一定的方程來解決現(xiàn)實(shí)中流體的動(dòng)力選問題的典范，通過這種力學(xué)方程解決實(shí)際中的一些物理問題。1.2控制方程1.2.1質(zhì)量守恒方程具體表達(dá)式為：（4-1）即（4-2）即：（4-3）1.2.2動(dòng)量守恒方程描述粘性不可壓縮流體的方程：（4-4）1.2.3能量守恒方程能量守恒方程可表示為：（4-5）這個(gè)式子的展開式：（4-6）計(jì)算流體力學(xué)就是通過上述步驟完成的分析的。1.3Fluent軟件概述Fluent軟件是現(xiàn)在流體模擬中廣泛應(yīng)用到的一款軟件，通過借助三維建模軟件對模型進(jìn)行建模，然后在網(wǎng)格劃分軟件上對模型進(jìn)行劃分網(wǎng)格，形成計(jì)算區(qū)域，然后將劃分完成的網(wǎng)格導(dǎo)入Fluent軟件內(nèi)部進(jìn)行數(shù)值模擬。模擬的流程圖如圖所示；圖4-1基本程序結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4-1Schematicdiagramofbasicprogramstructure.在進(jìn)行模擬時(shí)首先要做的第一件事就是對整個(gè)工作狀態(tài)進(jìn)行簡化，將反應(yīng)器的混合狀態(tài)和混合過程進(jìn)行實(shí)質(zhì)性的簡化，簡化成一個(gè)簡單的數(shù)學(xué)模型，方便進(jìn)一步參數(shù)化的時(shí)候進(jìn)行參數(shù)化分析，即Fluent的流體力學(xué)模擬，通過這一軟件可以將混合物的混合狀態(tài)和反應(yīng)器的工作狀態(tài)及受力情況形象的表述出來，通過混合云圖或者混合過程曲線等可以有效的得出兩種物料的混合情況。再就是對模型的選取，要保證符合湍流的特征，適用湍流模型才可以。因?yàn)樵谶M(jìn)行分析模擬時(shí)，對這種無規(guī)律的流動(dòng)的模擬才是設(shè)計(jì)反應(yīng)器的最初目的。只有在沒有規(guī)律的流動(dòng)中得出想要的結(jié)果，才能更加的貼近現(xiàn)實(shí)狀況，實(shí)現(xiàn)對三維流體分布的具體分析。，還能將流體溫度、壓力等的變化考慮在內(nèi)。1.3.1湍流模型的選擇湍流模型的選擇對于Fluent的數(shù)值模擬非常重要，合適的湍流模型會(huì)使計(jì)算的結(jié)果更加的準(zhǔn)確，且可以很好的預(yù)測所要模擬的模型的內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)[61]。并且在化工生產(chǎn)中，絕大部分的流動(dòng)都是屬于湍流，目前Fluent內(nèi)部的湍流模型，針對氣液兩相流動(dòng)而言，常用的有RNGk-ε模型、標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、可實(shí)現(xiàn)k-ε模型以及k-w模型等。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型是目前最常用的一種湍流模型，其適用于完全湍動(dòng)的流動(dòng)，在該模擬中，氣液兩相流屬于完全湍動(dòng)的流動(dòng)。因此在該模型中采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型作為湍流模型。1.3.2模型建立及網(wǎng)格劃分本文中的氣液混合文丘里是對稱結(jié)構(gòu)，為了更好地適應(yīng)筆記本電腦的運(yùn)行與儲(chǔ)存性能，本文的計(jì)算流體分析是基于二維模型建立的。如下圖4-2所示:圖4-2二維模型圖Fig.4-2Twodimensionalmodeldiagram整體的結(jié)構(gòu)邊界設(shè)置為：左側(cè)淡藍(lán)線為氣體進(jìn)口、上側(cè)紫線為液體進(jìn)口、右側(cè)棕色線為流體出口，其余的藍(lán)色線表示壁面。顯然，結(jié)構(gòu)中除了存在文丘里喉口外，在氣液界面處存在直徑較小的喉口，同時(shí)此喉口把氣體腔與氣液混合腔分隔開來。網(wǎng)格的密度是保證模擬精度的關(guān)鍵。對于本文結(jié)構(gòu)，起初考慮結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格與非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分。而考慮到由于存在兩個(gè)喉口，結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格分塊比較復(fù)雜，本文選用非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格劃分結(jié)構(gòu)。非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格由四邊形與三角形組成，在邊界扭曲較大的情況下，網(wǎng)格會(huì)以三角形為主。在ICEM中進(jìn)行全局元素標(biāo)度因子設(shè)置，取為1.2，全局最大元素尺寸設(shè)置為3。為了邊界處加密，進(jìn)行了邊界層與增長率設(shè)置，如圖4-3所示:圖4-3設(shè)置邊界增長率Fig.4-3Setboundarygrowthrate圖4-4全局最大元素尺寸設(shè)置為3時(shí)Fig.4-4Whentheglobalmaximumelementsizeissetto3如圖4-2與4-3所示，整個(gè)結(jié)構(gòu)劃分為3848個(gè)單元，網(wǎng)格質(zhì)量低于0.7的網(wǎng)格僅有122個(gè)。網(wǎng)格質(zhì)量較差的點(diǎn)如圖2-3中的亮點(diǎn)所示，其分布不集中，分散于第一個(gè)喉口處。所以本文進(jìn)行了喉口處加密，如圖4-4所示。其共產(chǎn)生了12925個(gè)網(wǎng)格，從網(wǎng)格質(zhì)量占比可以看出，網(wǎng)格質(zhì)量明顯變好。本文將運(yùn)用加密后的網(wǎng)格進(jìn)行模擬運(yùn)算。圖4-5全局最大元素尺寸設(shè)置為3時(shí)的質(zhì)量分布Fig.4-5Massdistributionwhenglobalmaximumelementsizeissetto3圖4-6質(zhì)量分布Fig.4-6massdistribution本文選擇基于壓力梯度的解決器，模擬過程選擇瞬態(tài)。湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)的模型，以為流體涉及兩項(xiàng)，所以打開多相流模型：Eulerian，如圖4-7所示。圖4-7Eulerian圖Fig.4-7Eulerdiagram流體選擇的材料分別為空氣與含氯液體，空氣的進(jìn)口速度為0.2m/s，液體的進(jìn)口速度為0.15m/s，出口設(shè)置為壓力出口，出口壓力大小為大氣壓，所有殘差均設(shè)置為0.001。湍動(dòng)能與其耗散的差分方式均選用二階迎風(fēng)，瞬態(tài)方程的差分計(jì)算選擇一階迎風(fēng)。時(shí)間步長取0.05秒。圖4-8曲線圖Fig.4-8diagram1.3.3數(shù)值模擬結(jié)果如圖4-8所示，從殘差圖可以看出，整套控制方程達(dá)到了條件收斂。數(shù)值模擬結(jié)果如圖4-9，4-10，4-11，4-12。圖4-9為0.2s\1.0s\1.8s時(shí)的速度云圖，通過速度云圖可以發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)間的推進(jìn)，氣體被不斷的吸入文丘里噴射器內(nèi)部，液體速度較高，原因可能是液體進(jìn)入文丘里噴射器之后在其內(nèi)部形成的負(fù)壓較小，導(dǎo)致壓差較大，氣體吸入的動(dòng)力變大，因此氣體的吸入量會(huì)很多。圖4-10為0.2s\1.0s\1.8s時(shí)的體積分?jǐn)?shù)云圖，通過體積分?jǐn)?shù)云圖可以發(fā)現(xiàn)，一開始?xì)怏w量比較少，隨著液體的不斷噴入，氣體和液體逐漸發(fā)生混合，液體在中間形成射流，并與氣體開始混合，軸線處液體的體積分?jǐn)?shù)抓緊降低，氣體的體積分?jǐn)?shù)逐漸提高。此外，云圖顯示氣液兩相在混合段的出口位置混合完幾乎完成，混合均勻之后的氣液兩相經(jīng)過擴(kuò)散段的加壓作用被噴射出去。但是在擴(kuò)散段的兩側(cè)有部分的液體，這是因?yàn)樵跀U(kuò)散段的出口位置出現(xiàn)了少許的回流現(xiàn)象，圖4-11為0.2s\1.0s\1.8s時(shí)的壓力分布云圖，借助壓力分布云圖可以促進(jìn)理解文丘里噴射器的氣液混合機(jī)理，在液體入口管道內(nèi)部，壓力最高，這是因?yàn)橐后w被循環(huán)泵進(jìn)行了加壓，加壓之后的液體通過文丘里噴射器的噴嘴噴出，在混合段內(nèi)部形成高速的液體，根據(jù)伯努利方程可知，一定條件下，速度越高，壓力越小，在云圖中也可以看出，混合段內(nèi)部的壓力最小，這為氣體的引入提供了動(dòng)力，氣體被引入，氣液兩相在混合段內(nèi)部混合，在混合段的出口位置，氣液兩相接近混合完成，混合過程中液體的速度會(huì)降低，然后氣液兩相在擴(kuò)散段部分速度會(huì)進(jìn)一步減小，壓力會(huì)進(jìn)一步提高，為噴入反應(yīng)釜做準(zhǔn)備。圖4-12為0.2s\1.0s\1.8s時(shí)的速度矢量分布云圖，速度矢量可以觀察有無回流現(xiàn)象的出現(xiàn)，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，文丘里噴射器內(nèi)部并無明顯的回流出現(xiàn)，但是在擴(kuò)散段出口位置有少量的回流，這對文丘里噴射器的混合會(huì)有促進(jìn)的作用，但是會(huì)增大文丘里噴射器的磨損，二者如何取舍要依靠具體實(shí)際應(yīng)用判斷。圖4-90.2s\1.0s\1.8s時(shí)的速度云圖Fig.4-9Velocitynephogramat0.2S,1.0sand1.8s圖4-100.2s\1.0s\1.8s時(shí)的體積分?jǐn)?shù)云圖Fig.4-10Volumefractionn