气液反应器中两相流实验研究与数值模拟

摘要

气液反应器广泛应用于环境工程、废水处理、水利工程、生物化工、石油能源等工业领域。气液反应器在运行过程中对高效低能的迫切需求及反应器大型化的趋势，都对反应器的设计与优化提出了更高的要求。气液反应器的效能取决于反应器内气液两相流的流动状态，其流型流态与速度场分布直接影响到反应器内各相的接触和混合效果，同时也影响着反应过程中传热传质的速率，最终影响到反应器运行的效果和能耗。因此，对气液反应器中两相流的流体力学行为进行深入研究，可为现有反应器的操作和优化设计提供指导，对解决日益严峻的能源短缺和环境污染问题都具有重要的意义。
　　本研究采用自主研发的气液反应器（专利号：201210051031.0）进行了气液两相流流场的实验工作，并通过图像处理与P IV技术，以气泡作为示踪粒子，获得了多种工况下密集气泡条件下气液两相流准确的气相速度场分布；并在总结和分析现有气液两相流模型的基础上，从相间作用力、湍流和气泡模型三方面对原有气液两相流模型进行对比改进，建立了BPBM-CFD耦合计算模型。通过对实验数据与数值模拟结果进行比较，并对比参考其他学者的研究成果，结果表明本文中改进的模型具有可靠和准确的预测能力。本研究取得的主要进展有：
　　（1）研究并开发了密集气泡条件下气液两相流的测量方法。使用可消除光学折射的气液反应器实验装置，获取了气液两相流的原始图像并进行图像预处理；利用气泡作为示踪粒子，使用P IV技术获取气相流场的速度场信息。
　　（2）将气泡群平衡模型应用于气液两相流体系的流体力学计算。深入分析了气泡聚并与破碎的机理，提出了较为完善的气泡聚并与破碎模型。
　　（3）釆用双流体模型与气泡群平衡模型对气液两相流流体力学行为进行了数值模拟。在总结和分析原有两相流模型的基础上，从相间作用力、湍流和气泡模型三方面提出了模型的修正与改进，建立了BPBM-CFD耦合模型进行数值模拟研究并取得了较好的结果。
　　（4）结合实验与数值模拟结果对气液反应器的最优工况提出了建议。基于得到的气液两相流气相与液相流场数据，对曝气量、高径比和曝气器布置这三种重要工况条件下的流型流态和速度场分布进行了分析，为气液反应器的运行和优化提供了建议。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 研究方法

1.3 文献综述

1.4 研究内容

1.5 研究路线与框架

1.6 本章小结

2 气液两相流研究的实验设计

2.1 实验系统与装置

2.2系统标定

2.3 实验步骤

3 气液两相流图像处理与速度场获取

3.1 图像的预处理

3.2 4帧粒子跟踪测速算法

4 气液两相流实验结果分析

4.1 曝气量影响

4.2 高径比影响

4.3曝气器布置影响

4.4 本章小结

5 气液两相流数值模拟模型研究

5.1 流体动力学方程

5.2 气泡模型

5.3 本章小结

6 气液两相流的数值模拟过程

6.1 数值模拟步骤

6.2 计算区域与网格划分

6.3 边界条件

6.4 BPBM耦合模型求解

6.5 数值模拟验证

7 气液两相流数值模拟结果分析

7.1 气液两相流流场流态分析

7.2气液两相流速度场分析

7.3 本章小结

8.1 研究结论

8.2 研究展望

致谢

参考文献

附录