液体连续相撞击流强化传递过程的波动特性

摘要

液体连续相撞击流反应器（LISR）是众多新型化工反应器中的一种新类型，其优良的混合性能来源于自身能够显著强化混合分散过程，而反应器具有特殊的流体流动结构，其身结构与操作特性的微小变化又影响整个流场中流体的混合效率、分散范围和强度等。从反应器自身反应效率来看，传质传热及相关反应过程都是在反应器中进行，而且反应器中流场和反应过程存在复杂多变性，需要通过对反应器内波动特性特研究与测定来解决。所以研究撞击流反应器在不同结构方式和操作参数下流体的波动特性对阐述其混合过程机理以及优化结构具有必要性和参考性。
　　本文通过几何模型软件Gambit建立探究所需的各种LISR基本几何物理模型，再由常用计算流体力学所用数值模拟软件即 Fluent对 LISR内整个流场进行数值模拟，探讨了在不同结构方式如：不同桨叶类型、不同筒径比、不同撞击距离下与不同操作参数如：物料组分含量、转速条件下速度场、压力场在空间域和时间域上的波动分布规律，得到各种工况下撞击区域和循环区域压力场、速度场在轴向和径向方向上的一系列变化规律，并通过数值拟合得到各工况与压力波动分布之间的关联式，从而为撞击流技术基本理论的发展和在实际生产中的应用提供一定的数学模型。
　　主要结论包括：操作参数一定时，结构方式的改变对撞击区域的压力和速度波动随时间的整体变化趋势没有影响，转速为1000r/min时，反应器内压力场和速度场稳定时间需要3s；在结构方式一定时，操作参数的改变会影响流场稳定时间，物料空气组分含量分体积比为0是所需时间为3s左右，增加到0.3时所需时间为4.5s左右，增加到0.6时，所需时间为6s左右，同时当桨叶转速由1000r/min降低到500r/min时，流场稳定时间由3s增加到4.5s，转速过低则增加了流场稳定所需时间。
　　结构方式和操作参数的改变对撞击区域速度、压力和压力波动强度的空间分布整体趋势也没有影响，各撞击面上的速度、压力在空间域上关于轴向中心线成对称结构分布，压力波动强度在空间域上关于径向中心线呈现对称结构分布，沿撞击面径向方向呈现先递增后递减并伴有小幅波动的趋势，各撞击面最大速度和压力值的位置会随离中心撞击面距离的增大而靠近轴向中心轴，同时离中心撞击面距离越远压力波动强度值越大。
　　桨叶面积的增大有利于撞击过程中轴向压力和速度沿着径向压力和速度的转换，同时各撞击面最大压力值与无量纲桨叶面积成线性关系，与离中心撞击面的距离成倍数关系，面积越大，距离越远流场的压力波动值越大。
　　筒径比的增大即导流筒长度的增加使导流筒内入口处轴向压力和速度增大，导流筒长度适度增大，撞击面中心处压力减小，中心轴向方向压力增大，但过度增大反而呈相反趋势，同时就速度场而言，随着筒径比的增加，导流筒入口处附近轴向速度增大，撞击后径向速度减小，各撞击平面上最大压力值随筒径比的变化成二次曲线关系，呈现先增加后减小的趋势。
　　随着桨叶对置距离的增加，导流筒入口附近区域压力波动值和速度会增大，同时也减弱了撞击区域内压力波动和速度值，桨叶对置距离增加一倍，相应的压力值和速度值会减小一倍。当桨叶对置距离由100mm增加到140mm时，各撞击面上的压力波动强度值保持一致，说明对置距离增加到一定值时，压力波动不增加而是保持在一定范围内，各撞击面上最大压力值随桨叶无量纲对置距离成递减幂函数关系。
　　物料中空气组分含量的增加会减弱撞击区域内压力波动和速度波动，流场不稳定阶段，速度波动幅度和剧烈程度随空气体积分数的增加而增大，同时循环区域与导流筒入口区域水的速度和流动范围也减小，空气含量的增大不利于整个流场中水的流动性能。反应器中空气成分主要集中在撞击面两侧，水成分主要集中在反应器上下底部，整个流场的体积分数分布关于径向轴线成对称结构，各撞击面上最大压力值与与空气组分体积比成指数函数关系。
　　桨叶转速的增加加强了撞击区域内压力波动和速度波动，转速为1500r/min时相邻两撞击面压力波动强度的最大增幅值为123.92Pa，而转速为1000r/min和500r/min时其最大增幅分别为47.01Pa与13.17Pa。同一转速下随着离中心撞击面距离的增加，撞击面整体速度增大且变的均匀，同时导流筒外的循环区域速度也在增加，速度梯度明显增大，各撞击面上的最大压力与桨叶的转速及直径成递增幂函数关系。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景和意义

1.2 撞击流技术理论及进展

1.3 反应器波动特性研究及进展

1.4 本文研究主要内容

第2章 LISR流场CFD分析基本理论与方法

2.1 流体动力学基本方程

2.2 LISR流场分析方法

2.3 LISR压力波动CFD分析理论及方法

第3章 LISR结构方式对波动特性影响规律

3.1 桨叶形式对波动特性影响规律

3.2 筒径比对压力波动影响规律

3.3 桨叶对置距离对波动特性影响规律

3.4 本章小结

第4章 LISR操作参数对波动特性影响规律

4.1 物料组分含量对波动特性影响规律

4.2 转速对压力波动影响规律

4.3 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 结 论

5.2 展 望

参考文献

攻读硕士期间已发表的论文

项目资助

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