基于CFD的均流填料塔数值模拟

摘要

填料塔因为生成能力大、分离效率高、操作弹性大、压降小、持液量小等优点在工业生产之中得到了广泛地应用。然而填料塔在大型工业化应用中存在“壁流效应”和”放大效应”，使得填料塔在大型工业化应用中传热传质效率大大降低。研究表明塔内流体分布不均匀是引起“壁流效应”和”放大效应”的根本原因。在填料塔内部设置隔板单元和对填料段进行分段的方法可以提高流体分布的均匀度，减弱“壁流效应”和”放大效应”。但是对于塔径、塔高、隔板尺寸和分段高度对流场的影响以现有的实验手段很难准确测量，随着计算流体力学的出现与发展，为我们提供了一个有力工具。
　　本文利用计算流体力学软件Fluent作为计算平台。为了验证数值模拟的可靠性，用数值模拟与实验相结合的方法进行了对比研究。在此过程中，以单位高度填料压降和壁流量作为指标来与实验进行比较。采用CFD技术对散堆填料塔单相气相流动进行数值模拟，在满足收敛以及质量守恒条件后，由Fluent软件得出单位高度填料压降和全塔压力分布图。在研究填料塔内部气液两流相时，借助前人的经验，在欧拉-拉格朗日坐标系下，选用标准的k-ε模型作为湍流模型，以Euler模型作为多相流模型，用多孔介质模型代替填料，来模拟塔内气液两相流过程中压降分布和壁流量。结果表明:单相、气液两相模拟压降和实验压降误差均在4％-10％，模拟方法具有可行性、合理性。
　　对于塔高H、塔径D、分段高度h和隔板距离L等结构尺寸多因素对填料塔内部流场的影响，全面数值模拟，规模大难于实施，为此进行了正交拉丁方实验设计。流场的均匀性可以用速度不均匀度来准确的描述，因此以速度不均匀度为指标对9组有代表性的水平组合模拟进行了数值模拟。结果表明:①通过单因素分析可以得出速度不均匀随着塔高H、塔径D、分段高度h和隔板距离L的增大而增大。其中分段高度h在小于2000mm时不均匀度变化波动较小，当分段高度h大于2000mm时不均匀度突然增大，建议填料段分段高度在500-2000m范围内为宜。隔板距离L范围在50-200mm内波动较小，当隔板距离L大于200mm时速度增加较为剧烈。②通过对9组模型进行数值模拟，利用极差分析方法得出因素对速度不均匀度的影响排序为:隔板单元距离L＞塔径D＞分段高度h＞塔高H。③经过对9个模型的模拟结果进行方差分析，结果表明隔板距离L、塔径D对速度不均匀度M都有显著性影响，分段高度h为一般性显著，塔高H对塔内速度场不均匀度M有一定的影响。以速度不均匀度为指标对隔板单元距离L、塔径D和分段高度h进行多元线性回归分析得出了它们之间定量关系，为填料塔的优化设计提供参考依据。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 填料塔理论研究现状

1．3 CFD在填料塔中的应用研究现状

1．3．1 CFD技术的发展

1．3．2 FLUENT软件简介

1．3．3 填料塔的CFD研究现状

1．4 本文研究的目的及内容

第二章 流体力学理论基础

2．1 多孔介质基本理论

2．1．1 多孔介质概念

2．1．2 多孔介质模型内部流动规律

2．2 体积平均理论

2．3 两相流理论

2．3．1 控制方程的推导方程

2．3．2 单相RNGk-ε湍流方程

2．3．3 气液两相RNGk-ε湍流方程

2．4 方程的离散

2．4．1 连续性方程的离散

2．4．2 动量方程的离散

2．5 壁面函数

第三章 CFD数值模拟与实验验证

3．1 数值模拟步骤

3．2 散堆填料塔单相数值数值模拟

3．2．1 气相单相模型

3．2．2 网格划分

3．2．3 边界条件

3．2．4 单相数值模拟结果

3．3 散堆填料塔气液两相数值模拟

3．3．1 多相流模型

3．3．2 两相流物理模型

3．3．3 网格划分

3．3．4 边界条件

3．3．5 相关设置

3．3．6 气液两相流模拟结果

3．4 实验验证

3．4．1 实验方案介绍

3．4．2 填料选择

3．4．3 实验过程及数据处理

3．5 实验与模拟结果对比研究

3．5．1 压降对比研究

3．5．2 壁流对比研究

3．6 小结

第四章 单因素对均流填料塔性能的影响

4．1 新型均流填料塔结构参数介绍

4．2 塔高H对不均匀度的影响

4．3 塔高D对不均匀度的影响

4．4 分段高度h对不均匀度的影响

4．5 环形隔板单元距离L对不均匀度的影响

4．6 小结

第五章 多因素对填料塔内部速度不均匀度的影响

5．1 正交试验简介

5．2 模拟试验方案设计

5．2．1 试验目的

5．2．2 因素、水平的确定

5．2．3 正交拉丁方表的设计

5．3 结果分析

5．3．1 极差分析

5．3．2 方差分析

5．3．3 多元线性回归分析

5．4 小结

第六章 结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间的成果