F1型浮阀塔板两相流场的CFD模拟

摘要

精馏塔在现代化工生产中占有重要的地位，其主要形式有板式塔与填料塔两种。近些年来，板式塔的研究取得了很大的进展，其中一个重要方面就是应用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，简称CFD)对塔板上流体流动状况进行数值模拟。目前CFD模拟主要集中在筛孔板塔上，而应用十分广泛的F1型浮阀塔板流场的CFD模拟研究却鲜有报道。本文应用CFD，对F1型浮阀塔板全开状态下的两相流场进行了模拟研究。 在国内外已有的研究基础上，本文建立了瞬时三维500×500mm全开状态的F1型浮阀塔板两相流模型。模型以Euler两相流模型为基础，采用标准κ-ε湍流模型描述气液两相的湍流流动。模型中，气液两相的相间作用力主要考虑了相间曳力，其中曳力系数采用Schiller等提出的方法进行计算。模型采用有限体积法进行数值求解，压力速度耦合采用相间耦合SIMPLE算法求解，时间项采用隐式方法求解，对流项采用一阶迎风方法求解。 为了对模型结果进行检验，本文采用空气-水物系测量了500×500mmF1浮阀塔板在浮阀全开状态下的清液层高度。并且研究了清液层高度随空塔气速、堰高和液流强度变化的规律，发现清液层高度随空塔气速增加而减小，随液流强度和堰高增加而增加。通过和实验数据对比发现，模型结果和实验结果吻合较好，证明本文所建立的CFD模型能够较为准确的描述全开的F1浮阀塔板上气液两相流的瞬时流场。 通过模拟结果的进一步分析，发现在液体出口处存在垂直涡流，低于堰高位置上还有两个水平涡流，气体在液体出口处同样存在垂直涡流；液体流速沿液流方向经历了先增大后减小再增大再减小的波动情况，而且在塔板浮阀区液相被气相大量吹散，液相含率很低。 本文为F1型浮阀塔板两相流场的数值模拟提供了有效的方法，模拟结果证明CFD方法可应用对浮阀塔进行模拟计算及指导设计，也为进一步的研究打下了良好的基础。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号说明

声明

第一章文献综述

1.1塔板发展状况概述

1.1.1筛孔型新型塔板

1.1.2浮阀类新型塔板

1.1.3立体喷射型新型塔板

1.2塔板计算流体力学发展现状

1.2.1拟单相流模型

1.2.2塔板混合模型

1.2.3双流体模型

1.2.4塔板流场计算模型总结

1.3 CFD软件综述

1.4 CFD最新进展

1.5立题意义和本课题的研究内容

第二章F1型浮阀塔板两相流场计算模型

2.1湍流模型概述

2.1.1湍流模型研究的现状和进展

2.1.2典型湍流模型简介

2.2塔板上气液两相流动数学模型

2.2.1第q相连续性方程

2.2.2第q相动量方程

2.2.3塔板上气液两相动量传递过程分析

2.3 F1型浮阀塔三维模型及网格划分

2.4边界条件

2.4.1进口边界条件

2.4.2出口边界条件

2.4.3塔板中心面边界条件

2.5数值计算方法

2.6松弛因子

第三章F1型浮阀踏板流体力学实验研究

3.1实验装置

3.1.1 F1型浮阀塔板

3.1.2气体分布板

3.1.3均速管流量计

3.1.4清夜层测定装置

3.2实验操作步骤

3.3实验操作条件

3.4实验结果分析与讨论

第四章CFD数值模拟结果与讨论

4.1计算策略

4.2塔板清液层高度

4.3液相流场模拟结果

4.3.1 x-y平面速度流场分布

4.3.2 y-z平面速度流场分布图

4.3.3 X-Z平面速度流场图

4.4气相流场模拟结果

4.5气液两相分布图

4.6塔内湍流情况

第五章结论与展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

攻读硕士期间发表论文

致 谢