旋流板塔内两相流场的CFD模拟与分析

摘要

旋流板塔(RST)是浙江大学发明的一种高效通用型传质设备,其综合性能优于国外常用的吸收器,作为主设备已成功应用于大中型燃煤工业锅炉的烟气脱硫除尘工程上.旋流塔板上的气液运动是决定塔板效率的主要因素,因此研究气液两相流场将对塔板操作的优化及结构的放大具有重要而现实的指导意义.该文以商用软件FLUENT为求解软件,拥有双CPU及2G内存的服务器为硬件基础,生成了含有大量网格的φ150mm和φ4000mm的旋流板塔的三维模型,用双方程RNG K-ε湍流模型、Eulerian多相流模型和Granular流体模型,对RST内气液运动进行了较为深入的仿真研究.研究并优化了旋流板塔的绘制方法与网格的生成,为该文模拟所涉及的各种小型、大型及各种板型参数的RST生成了计算所需的三维网格.用双方程RNG K-ε模型模拟湍流,Eulerian模型模拟气液两相流动,得到了φ150mm及φ4000mmRST内一定空塔气速下两相流场的分布及特征,发现RST经放大后液相流场分布的一些问题.通过改进数学模型,引进Granular流体模型对液体的湍流粘性进行修正,并选用相应的流体-固体交换系数,选用几种特定的液滴粒径,得到了φ150mm及φ4000mmRST内更为合理的流场分布结果,发现大型RST内气液流场受液滴粒径影响较大,对较小颗粒(小于300μm)的去除能力较小型RST要低.该文为RST内两相流场的数值模拟提供了有效的方法,模拟结果有助于旋流板塔的结构优化和放大设计.该文工作也为进一步的研究打下了良好的基础,在RST流场CFD数值模拟的基础上可以进一步进行传热及化学反应过程的CFD数值模拟研究.

目录

文摘

英文文摘

主要符号说明

第一章前言

1.1课题背景

1.2立题依据

第二章文献综述

2.1 双碱法概况

2.2旋流板塔烟气脱硫概况

2.3计算流体力学概述

2.3.1建立数学模型

2.3.2湍流的模拟

2.3.3网格划分

2.3.4离散方法

2.3.5压力-速度关系

2.3.6边界条件和初始条件

2.3.7求解代数方程

2.4 CFD软件综述

2.5 CFD在工程中的应用现状

2.5.1航空航天领域

2.5.2旋转机械领域

2.5.3燃烧领域

2.5.4汽车行业

2.5.5能源利用方面

2.5.6化学工业行业

2.5.7船舶工业

2.5.8风机及相关行业

2.6 CFD最新进展

第三章旋流板塔内两相流场模拟

3.1数学模型选择

3.1.1第q相连续性方程

3.1.2第q相动量守恒方程

3.1.3湍流方程

3.2φ150mmRST内两相流场模拟

3.2.1三维模型与网格生成

3.2.2物性参数及边界条件

3.2.3模拟结果与讨论

第四章旋流板塔的放大效应及结构优化研究

4.1 φ4000mm旋流板塔内两相流场模拟

4.1.1三维模型与网格生成

4.1.2物性参数及边界条件

4.1.3模拟结果与讨论

第五章模型修正后的两相流场数值模拟

5.1数学模型的改进

5.1.1液体-固体动量方程

5.1.2流体-固体交换系数

5.1.3颗粒温度

5.1.4固体压力

5.1.5径向分布函数

5.1.6固体剪切应力

5.2 φ150mmRST内修正后的两相流场

5.2.1物性参数及边界条件

5.2.2模拟结果与讨论

5.3 φ4000mmRST内修正后的两相流场

5.3.1三维模型与操作工况

5.3.2物性参数及边界条件

5.3.3模拟结果与讨论

第六章结论

致谢

参考文献