逆流旋转填料床中液体的流动特性研究

摘要

作为一种化工强化设备，旋转填料床借助于高速旋转的填料将液体剪切成微小的液滴单元，使得液体比表面积增大，极大地提高气液传质效率，改善微观混合性能。但因旋转填料床内结构复杂严密和液体速度大，导致难以借助现有技术手段对其进行定性和定量分析，使得目前对于旋转填料床的研究大多集中于流体物性和操作参数对流体流动规律影响方面，缺乏对填料结构对内部流体力学的深入探究，而此部分工作的完成对于旋转填料床内部结构的优化及进一步工业化应用具有重要的意义。因此，本论文在前人研究的基础上，通过合理设计和改变填料特性，采用CFD和PIV两种技术手段来探究逆流旋转填料床内液体流动特性的影响规律。 本文首先利用PIV技术对筛板填料逆流旋转床的液体运动行为进行了可视化观测，以水-空气作为研究体系，考察了筛板填料特征尺寸（径向厚度：0.067～0.118m）、转速（400～1200rpm）以及液体初始速度（0.5～2.5m/s）对流体力学特性的影响。同时，以CFD技术的Fluent15.0作为计算平台，通过合理简化填料几何结构，采用VOF多相流模型、RSM模型以及SM模型对筛板填料逆流旋转床进行了二维数值模拟计算，模拟和实验（体系、工况）一样。通过对两种研究结果对比分析，得到了操作参数和填料特征尺寸对液体形态、液滴直径及分布、液滴速度的影响规律。 结果表明：液体在填料区主要以液线流和液膜流形式存在，而空腔区则为液滴。当筛板填料的径向厚度小于0.101m后，空腔区内出现液线流和形状各异的液滴；当转速和填料径向厚度不断增大时，液滴平均直径则逐渐变小且液滴粒径分布逐渐趋于均匀化；随着液体初始速度的增大，液滴平均直径随之增大且粒径分布均匀性变差；通过线性拟合得到了液滴平均直径与参数之间的关联式，其中填料的径向厚度影响效果最为显著，预测值和模拟值误差在±15%以内，实验和模拟所得的液滴累积体积分布曲线符合R-R分布；液滴速度随着填料径向厚度的增大而增大，而到达空腔区后则逐渐减小。 在上述研究的基础上，本文对丝网填料下的液体流动采用PIV技术进行了可视化实验，探究了丝网填料内的流体力学特性随转速（400～1200rpm）和液体初始速度（0.5～2.5m/s）的变化规律，并与筛板填料内的流场特性进行了对比。分析两者结果发现：空腔区域内，丝网填料下的液滴直径大小和均匀性均优于筛板填料；转速和液体初始速度对液滴平均直径的影响规律不受填料类型的约束；在丝网填料下，转速对液滴粒径影响效果最为显著，并通过关联式和拟合误差图发现实验值和预测值误差在±15%以内；由实验所得丝网填料下的液滴粒径分布均符合R-R分布，且分布范围小于筛板填料；液滴速度只随转速的增大而增大，不受填料类型和液体初始速度的影响。 本文提供了一种运用PIV技术探究填料结构参数对逆流旋转填料床内流体力学特性的研究方法，并与CFD模拟方法进行了对比分析，这将对旋转填料床的放大优化和结构设计提供一定的理论指导和依据。

目录

声明

1 文献综述

1.1 旋转填料床简介

1.1.1 旋转填料床的发展

1.1.2 旋转填料床的基本结构和原理

1.1.3 旋转填料床的应用

1.2 计算流体力学

1.2.1 计算流体力学简介

1.2.2 计算流体力学的理论基础

1.2.3 计算流体力学的软件简介

1.2.4 计算流体力学的求解步骤

1.3 粒子图像测速技术

1.3.1 流体的可视化技术

1.3.2 PIV技术的工作原理及特点

1.4 旋转填料床流体力学的特性研究进展

1.4.1 气相压降

1.4.2 液体流动形态

1.4.3 液滴速度

1.4.4 液滴直径及分布

1.4.5 停留时间

1.5 选题意义

1.6 本文的研究内容

2 流场数值模拟方法和可视化方法的建立

2.1 数值模拟方法的建立

2.1.1 物理模型建立

2.1.2 网格划分及无关性检验

2.1.3 边界条件

2.1.4 湍流模型

2.1.5 多相流模型

2.1.6 滑移网格模型

2.1.7 求解方法

2.2 可视化方法的建立

2.2.1 PIV系统

2.2.2 PIV测速原理

2.2.3 PIV测试及数据处理方法

2.3 实验方案

2.3.1 实验装置

2.3.2 实验流程

2.3.3 实验注意事项

3 填料特征尺寸对液体流动规律的数值模拟和试验研究

3.1 RPB 内液体形态

3.2 液滴平均直径

3.2.1 转速对液滴平均直径的影响

3.2.2 填料的径向厚度对液体平均直径的影响

3.2.3 液体初始速度对液滴平均直径的影响

3.2.4 液滴平均直径的拟合关联式

3.3 液滴直径分布

3.4 液滴速度

3.5 小结

4 填料类型对RPB内液体流动行为的影响

4.1实验方案

4.2填料类型对流体形态的作用

4.3液滴速度随操作参数的变化

4.4 填料类型对液滴直径的影响

4.5 填料类型对粒径分布的影响

4.6 小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢