基于Fluent的新型過程強化裝置的流場分析*

鄒韶明，朱瑞林

(1．江西工程學院;2．湖南師范大學)

0 引言

過程工業是加工制造流程性材料產品的現代國民經濟支柱產業之一，是發展經濟提高國力不可或缺的基礎．提高過程效率可通過提高湍流程度達到，傳統上，提高湍流程度往往需提高流速，這勢必增加能耗、設備體積與投資、廠房空間等．象許多緩慢且可逆的反應過程，目前用連續管式反應器而不加強化，長徑比很大，不僅增加設備體積與成本，且效率低，操作很不方便．若能不提高過程凈流速，而提高其湍流程度或混合程度，則既可提高過程效率，又能節約能源、資金、材料和廠房空間等，達到“高效、節能、潔凈、安全”的目標．

為此，提出了一種新型過程強化技術與裝置［1-5］，如圖1所示，其技術方案是:在過程設備上設置與之配合的機械振蕩裝置，使過程設備內的流體形成紊流或充分混合，以強化工藝過程［6］．

圖1 新型過程強化技術及其裝置

振蕩裝置主要由活塞與圓柱轉子構成，活塞與過程設備密封滑動裝配，轉子對稱斜置，造成相位差180°的偏心距，此即活塞振幅．滑板可在支座兼導軌上移動，以調節振幅(調速電機裝在滑板上)．調速電機帶動轉子旋轉，轉子推動兩活塞作相位差180°的振動，使過程設備內的流體形成紊流或充分混合．

該文運用Fluent軟件建立了該強化裝置的參數化模型并對其流場進行了數值模擬．根據數值模擬的結果比較了未加強化裝置和加上強化裝置后的流體流場分布，分析了過程強化裝置對于其內部流體流場的影響，分析了強化裝置在過程強化中的作用．

1 仿真模型建立

利用Fluent建立了裝置的三維模型．取裝置中的一節作為研究對象，采用Gambit中的自適應混合網格進行網格劃分，如圖2所示．選用有限體積法［6］和 RNG k-ε 計算模型進行計算［7］，對過程強化裝置采用圓環形檔板時的流場進行分析．

圖2 圓環型擋板時筒體的網格劃分

在該文中只對活塞做正(余)弦運動時的流場進行分析，由于強化裝置的周期運動，使得流場兩端的軸向速度隨時間周期性變化，因此其邊界條件定義為:

在Z =0處 vx=0;vy=0;vz=2πfasin(2πft)(a:振幅;f:振蕩頻率)

初始條件取:t=0時，vx=0;vy=0;vz=0．

2 過程強化裝置對流場的擾動分析

為了研究過程強化裝置對流場的擾動，選取在相同的進口流速條件下，在使用圓環形擋板時，未加強化裝置和加上了強化裝置后筒體內的流體的速度場，通過分析和比較兩者的流場分布，來分析過程強化裝置對流場的擾動的影響．

2．1 未加強化裝置時的流場分布

首先對進口流速為0．00707264 m/s(流量為50 L/h)時，未加強化裝置的流場分布進行分析，其結果如圖3和圖4所示．從圖3，圖4的未加過程強化裝置時筒體的流場分布圖可以看出，未加過程強化裝置時，由于其入口流速比較小，因此類似于其流場分布類似于圓管管內流動，當流動穩定以后，其速度場不隨時間變化，保持為穩態流動．速度由筒體軸線向兩邊逐漸減小，流場的最大速度出現在進口處．在靠近管壁處速度值很小;在進口的兩側，由于擋板的存在，因此出現了一個滯止區，在此區域內，流體的流動速度很小，在傳熱和傳質中，由于這一部分的質量和熱量傳遞主要靠傳導的作用，對流作用幾乎為零，因此效率很低，這種情況在工業生產中是不希望出現的，它將使傳熱和傳質的效果大大降低．在出口處，由于擋板的作用，在擋板處出現了部分回流，但是由于邊界層的存在，該部分流體在較大的黏性力作用下速度不斷減小，當快要到達筒體壁面時，其速度已經變得很小．從圖中還可以看到，流體在筒體中主要只存在軸向的速度，徑向速度幾乎為零．

下面對在相同的進口流速條件和擋板開孔率的條件下，加上過程強化裝置后，筒體內的流場分布進行研究．

圖3 T=2．12 s時xoz平面上的流場分布

圖4 T=2．13 s時xoz平面上的流場分布

2．2 加上過程強化裝置后的流場分布

圖5～圖10是系統穩定后加上過程強化裝置后一個周期內的流場分布圖，

從圖5～圖10可以看出，當加上過程強化裝置后，在筒體中出現了不斷產生和消失的旋渦，并且由于旋渦的存在，使得靠近筒體壁面處的流體能夠在旋渦的帶動下與中間部分的流體充分得混合．由于筒體兩側出現的明顯的漩渦，使得筒體兩側的速度分布得到明顯的改善，流場中流體的徑向速度得到明顯加大;在進口擋板的兩側，由于漩渦的形成，其速度明顯增加，在靠近筒壁處，由于其漩渦的存在，速度也顯著增大，而且這兩個漩渦的存在，也使得邊緣處的流體與中央處的流體可以進行更加充分的混合，由于流體間質量、熱量以及動量的傳遞方式由單純的傳導變為了傳導加對流，因此其效率大大地增加，這對于傳熱和傳質都是十分有益的．

圖5 t=20T時xoz平面上的流場分布(流量50 L/h，頻率10 Hz，振幅3 cm)

圖6 t=20．25 T時xoz平面上的流場分布(流量50 L/h，頻率10 Hz，振幅3 cm)

圖7 t=20．4 T時xoz平面上的流場分布(流量50 L/h，頻率10 Hz，振幅3 cm)

圖8 t=20．5T時xoz平面上的流場分布(流量 50 L/h，頻率 10 Hz，振幅 3 cm)

圖9 t=20．75 T時xoz平面上的流場分布(流量50 L/h，頻率10 Hz，振幅3 cm)

圖10 t=21．0 T時xoz平面上的流場分布(流量 50 L/h，頻率 10 Hz，振幅 3 cm)

3 結束語

當流體的進口流量相同時，加上過程強化裝置和未加過程強化裝置的流場分布是不同的．在未加過程強化裝置時，由于流速比較小，類似于圓管內的層流流動，可以當作定常流動來處理;加上強化裝置后，流場開始變為按周期性變化的非定常流動，由于裝置對過程的強化作用，使得流場中出現了不斷變化的漩渦，正是這些漩渦的存在，使得流場中部質點的橫向速度增大，也使得流場中質點的渦度變大．

［1］ 朱瑞林．一種新型振蕩流強化反應器制備生物柴油的探討［J］．化工裝備技術，2013，34(4):8-10．

［2］ 朱瑞林．一種工藝過程的強化技術及其裝置．200510031285．6．

［3］ 朱瑞林．一種反應器的強化技術與裝置．200810098944．1．

［4］ 朱瑞林．一種用于強化工藝過程的擾動設備．200520050358．1．

［5］ 朱瑞林．一種制取生物柴油的機械振蕩強化技術［J］．化工裝備技術，2008，29(1):28-31．

［6］ 李人憲．有限體積法基礎．北京:國防工業出版社，2005．

［7］ Michelassi V，Wissink J G，Rodi W．Direct numerical simulation，large eddy simulation and unsteady Reynolds-averaged Navier-Stockes simulations of periodic unsteady flow in a low-pressure turbine cascade:A comparison［J］．Journal of Power and Energy，2003，217(4):403-412．