喷射器内化学反应流体间的微观混合研究

摘要

喷射反应器近年来被广泛应用于化工、生物、环保等领域,具有传质效果好、混合率高、操作简单等优点。喷射器内进行的湍流反应过程具有高度的复杂性和多尺度性,目前对它的研究还不够充分,设计和放大都基本依靠实验进行。本文利用面激光诱导荧光技术(Planar Laser Induced Fluorescence,PLIF)和计算流体力学(Computed Fluid Dynamics,CFD)软件分别从实验和理论的角度考察喷射器内湍流微观混合情况。其中,PLIF实验考察的是喷射器内流体间的综合混合效果,包括宏观混合、介观混合、微观混合。而CFD模拟可以通过人为的设置,仅仅给出流体间的宏观混合。本文的工作内容有以下几个方面:
　　一、以酸碱中和反应作为此次湍流微观混合的研究对象,PLIF实验和CFD模拟分别可以给出此反应中关键物质在喷射器内的浓度变化。利用二者的相对变化量定义无量纲的物理量——局部分离度,其值仅仅指示喷射器内部的微观混合。越靠近1,表明微观混合效果越差;相反,越接近于0,表明微观混合效果越好。
　　二、盐酸作为射流流体从喷嘴流出,氢氧化钠作为引流流体从侧管进入喷射器的混合段,与盐酸混合。其他操作条件不变的情况下,依次改变射流流体流量、引流流体流量、两股流体的流量比,考察各个条件下局部分离度沿喷射器轴线的变化情况。
　　三、CFD软件中有多种不同的微观混合模型,利用不同的模型计算得到喷射器轴线上关键物质的浓度分布变化,将得出的结果与PLIF实验结果比较,结果表明涡耗散模型(ED)与实际情况吻合较好。
　　四、利用涡耗散模型,考察不同结构尺寸(如不同喷嘴直径、不同混合段直径、不同混合段形状)的喷射器中,流体微观混合的变化情况。结果表明大的喷嘴直径以及大的混合段直径都不利于流体间的微观混合。而当混合段的形状由圆柱形变为锥台状时,发现喷射器内相同位置处关键物质的浓度变小,说明锥台状的混合段有利于流体间的混合。这是因为锥台状的混合段在一定程度上增大了流体间的湍动,有利于混合。
　　五、混合段形状保持为锥台形,改变混合段出口直径,结果发现得到的H+浓度变化相差不大,并且相互之间有交叉。这是因为锥台状的混合段出口直径本身就比进口直径小,增加混合段的出口直径引起的变化不明显。

目录

文摘

英文文摘

论文说明:符号说明

第一章 文献综述

1.1 引言

1.2 喷射反应器简介

1.2.1 喷射反应器工作原理

1.2.2 喷射反应器的分类

1.2.3 喷射反应器的研究进展

1.3 微观混合的研究

1.3.1 CFD概述

1.3.2 CFD基本原理

1.3.3 CFD模拟的求解过程

1.4 数学模型

1.4.1 CFD模拟中通用控制方程

1.4.2 控制方程的求解

1.4.3 湍流模型

1.4.4 组分浓度方程的求解

1.5 本文研究内容

第二章 PLIF与CFD耦合研究喷射器内液-液微观混合

2.1 实验概述

2.1.1 PLIF测量原理

2.1.2 实验装置

2.1.3 实验条件

2.2 CFD模拟

2.2.1 网格无关性检验

2.2.2 模拟条件设置

2.3 实验与模拟研究

2.3.1 实验研究

2.3.2 局部分离度的定义

2.4 不同操作条件对微观混合的影响

2.4.1 恒引流不同射流工况

2.4.2 恒射流不同引流工况

2.4.3 相同流速比下不同流速工况

2.5 本章小结

第三章 不同微观混合模型模拟结果的比较

3.1 几种不同的微观混合模型

3.1.1 层流有限速率模型

3.1.2 涡耗散模型

3.1.3 涡耗散概念模型

3.1.4 完全组分输运方程PDF对喷射器的模拟

3.1.5 用户自定义函数UDF

3.2 各种混合模型的比较

3.3 本章小结

第四章 喷射器结构对混合的影响

4.1 喷射器喷嘴直径对混合性的影响

4.2 混合段直径对混合性的影响

4.3 混合段形状对混合性的影响

4.4 本章小结

结论

参考文献

附录 本文3.2一节利用用户自定义函数(UDF)计算了喷射反应器内部酸碱反应中盐酸与氢氧化钠的浓度变化,其主要源程序(利用C语言编写)如下:

致谢

攻读学位期间发表的学术论文