高速撞击流反应器内流动特性的实验研究和数值模拟

摘要

近年来，过程强化越来越受到重视，各国学者开发出了多种形式的反应器。其中，撞击流反应器从问世以来以其良好的传递和混合效果在燃烧、干燥、研磨和超细粉体制备等领域得到了广泛应用，但对其的流动特性研究还不够充分和深入。 本文的研究对象为反应腔截面为14.2×14.2 mm的撞击流反应器，雷诺数范围在21230-36951之间，采用2D PIV和大涡模拟对等径(3-3mm)和不等径(3-4 mm)反应器内流动特性进行了研究，得到了反应器内流型、速度场、驻点位置和湍动能分布，通过对比3-3 mm等径反应器中实验和模拟的数据，验证了大涡模拟在撞击流反应器内流动特性预报的准确性。三维湍动能算法和基于各向同性假设下二维湍动能算法的对比结果表明广泛应用于搅拌槽内的二维湍动能假设在撞击流反应器内预测误差较大，最大时可达40％。通过Lumley-Newman三角形及其衍生算法分析了反应器内的湍流各向异性，结果显示在撞击区域和射流主体边缘各向异性显著，二维湍动能假设存在误差。采用大涡模拟的方法详细讨论了不同流量比下3-4 mm不等径撞击流反应器的驻点偏移规律，不等径撞击流的操作弹性更大，4mm管径一侧15％的流量波动依然可以保证两股流体在反应腔内撞击。反应器轴线上方空间特征尺寸（L）对流场的影响较小，但是减小轴线上方空间会使撞击驻点位置向小管径(3mm)一侧偏移。

目录

声明

摘要

符号说明

前言

第一章 绪论

1．1 湍流流场

1．1．1 湍流概述

1．1．2 平均速度和脉动速度

1．1．3 湍流动能

1．1．4 各向异性

1．2 撞击流简介

1．2．1 撞击流原理

1．2．2 撞击流特性

1．2．3 撞击流应用现状

1．3 反应器内流场测试技术

1．4 粒子图像测速技术

1．4．1 PIV基本原理

1．4．2 PIV系统的构成

1．4．3 PIV的应用领域

1．5 数值模拟方法

1．5．1 CFD方法概述

1．5．2 大涡模拟概述

1．6 流动特性的研究进展

1．7 研究现状小结及本文主要研究内容

第二章 实验装置与方法

2．1 撞击流装置

2．2 PIV测试系统

2．3 PIV参数优化

2．3．1 示踪粒子

2．2．2 时间间隔△t

2．3．3 样本数

2．3．4 查问区间

2．4 实验步骤

第三章 CFD参数优化和方法

3．1 CFD参数优化

3．1．1 网格划分

3．1．2 湍流模型

3．1．3 入口条件设置

3．1．4 瞬态模拟时间步长

3．1．5 模拟的物理时长

3．1．6 采样方式

3．2 模拟方法

第四章 结果讨论

4．1 等径撞击流反应器

4．1．1 平均流场和瞬时流场

4．1．2 撞击驻点位置偏移

4．1．3 湍流动能

4．1．4 湍流各向异性

4．2 不等径撞击流反应器

4．2．1 平均流场

4．2．2 驻点位置

4．2．3 轴线上方空间L的影响

4．2．4 湍流各向异性

第五章 主要结论

5．1 主要结论

5．2 创新点

参考文献

致谢

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