鼓泡塔內(nèi)部流場分布特性的實(shí)驗(yàn)研究*

曹喬喬 郝惠娣 王 瑾

(西北大學(xué)化工學(xué)院)

鼓泡塔在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，如加氫、費(fèi)托合成、污水處理及煤液化等[1]。迄今為止，大量學(xué)者對(duì)鼓泡塔的流體特性進(jìn)行了模擬研究[2～8]。近年來，隨著計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)和軟件的迅速發(fā)展，鼓泡塔內(nèi)的流場等詳細(xì)信息可以通過 CFD 模擬的方法獲取[9,10]。筆者利用Ansys CFD軟件對(duì)鼓泡塔內(nèi)的氣、液兩相進(jìn)行混合性能的數(shù)值模擬，考察了通氣速度為0.02、0.05、0.08、0.11m/s時(shí)鼓泡塔內(nèi)流場的特性，并對(duì)其計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析。

1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

筆者研究采用帶有分布器的鼓泡塔(圖1)，塔外徑為300mm，內(nèi)徑為295mm，高為1 000mm，分布器位于塔的中部，有37個(gè)小圓孔，孔徑為20mm，分布器模型如圖2所示。

圖1 鼓泡塔結(jié)構(gòu)模型

圖2 分布器模型

網(wǎng)格劃分[11,12]采用有限體積法，為結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，最小尺寸為0.2mm，最大面尺寸為10mm，最大體尺寸為20mm。網(wǎng)格總節(jié)點(diǎn)數(shù)為141 716個(gè)，網(wǎng)格單元數(shù)為776 446個(gè)，壁面Inflation網(wǎng)格細(xì)化，邊界層定義為5層。

2 初始條件和邊界條件

初始時(shí)，流體區(qū)域全是水，故設(shè)置水的體積分?jǐn)?shù)為1，空氣的體積分?jǐn)?shù)為0，液體湍動(dòng)形式選擇Medium Intensity and Eddy Viscosity Ratio。液體的壁面設(shè)置成無滑移的固體壁面邊界，氣體設(shè)置為自由滑移固體壁面邊界，質(zhì)量和動(dòng)量選擇Fluid Dependent。邊界的條件參數(shù)，氣體入口為速度入口，氣相體積分?jǐn)?shù)為1。

3 模擬結(jié)果及討論

3.1鼓泡塔內(nèi)氣速的計(jì)算結(jié)果

由圖3可知：入口附近鼓泡塔的底端兩個(gè)角處的液體幾乎是不運(yùn)動(dòng)的，運(yùn)動(dòng)區(qū)域呈現(xiàn)U型，為了避免容器內(nèi)部出現(xiàn)死角，建議在下端設(shè)計(jì)選型時(shí)選用U型或V型。容器中心部分像V字一樣帶動(dòng)液體，隨著氣體速度Ug的增加，中心部位的V型也就越明顯，距離中心處越遠(yuǎn)速度越小，對(duì)壁面附近流體的運(yùn)動(dòng)而言，速度大不易帶動(dòng)容器壁面附近流體的流動(dòng)；對(duì)于容器中心而言，速度大時(shí)的帶動(dòng)作用比速度小時(shí)的強(qiáng)；對(duì)于整個(gè)塔器而言，速度大時(shí)的帶動(dòng)作用比較顯著；分布器對(duì)不同氣速的流體分布作用范圍相差不是很大，但是分布器對(duì)高速流體的阻力明顯比低速流體的大，特別是在中心部位。分布器對(duì)于高速流體的分布效果比較好，速度在容器內(nèi)部分布比較均勻，對(duì)于消除或減弱中心趨勢(shì)效果比較好。

圖3 不同通氣速度下氣體的速度分布云圖

3.2鼓泡塔內(nèi)徑向氣含率的計(jì)算結(jié)果

圖4為Ug=0.05m/s時(shí)不同高度下氣含率的分布圖。由圖4a、b可以看出，中心處氣含率最高，從中心到壁面氣含率逐漸降低；隨著高度h的增加，整體氣含率逐漸降低，但是氣體的分布范圍越來越廣；圖4c為h=0.53m(即分布器)處氣含率的分布情況，此時(shí)氣體分布量較大，中心處氣體分布較多，距離壁面處氣體分布較少；由圖4d可知h=0.60m(分布器上方)時(shí)，氣含率迅速降低，但整體分布均勻，分布器的分布作用顯著；對(duì)比圖4d、e可知，隨著高度h的增大，氣體又有向中心處匯聚的趨勢(shì)；由圖4f可以看出，氣體在壁面處的分布比較理想，由于出口比較小，當(dāng)氣體與上端壁面相撞后，氣體改變方向向四周擴(kuò)散。

圖4 不同高度氣含率的分布

3.3速度矢量圖的結(jié)果分析

Ug=0.05m/s時(shí)，氣、液表觀速度計(jì)算結(jié)果如圖5、6所示。由圖5、6可知，在分布器出口處，氣體和液體有返混現(xiàn)象，相比之下，氣體的返混現(xiàn)象比較弱，如圖5所示，在壁面附近處才出現(xiàn)氣體少量逆流現(xiàn)象，并且速度也特別小；如圖6所示，液體在分布器和出口處返混特別嚴(yán)重，從中心沿著直徑方向液體的表觀速度逐漸降低，呈開口向下的拋物線狀，直至減小到0，然后又反向逐漸增加。

圖5 分布器上部氣體表觀速度矢量圖

圖6 整體截面液體表觀速度矢量圖

4 結(jié)論

4.1當(dāng)氣體通過分布器以后，氣體呈倒U型上升，經(jīng)過分布器后氣體的徑向擴(kuò)散速度明顯增加，比分布器下端氣體的徑向擴(kuò)散速度要大。設(shè)計(jì)選型時(shí)為了避免死角應(yīng)選用U型、V型，或者橢圓型和圓型。

4.2氣體在上升過程中氣含率逐漸向四周擴(kuò)散，當(dāng)氣體經(jīng)過分布器后整體分布相對(duì)均勻，故分布器的分布作用特別明顯。

4.3在分布器出口處，氣體和液體有返混現(xiàn)象。氣體的返混現(xiàn)象比較弱，在壁面附近處才出現(xiàn)氣體少量逆流現(xiàn)象，并且速度也特別小；液體在分布器和出口處返混特別嚴(yán)重，從中心沿著直徑方向液體的表觀速度逐漸降低。

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