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《刮膜式分子蒸馏蒸发液膜模拟中两种湍流模型的比较》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。
1、中国科学B辑化学2005,35(1):11~1611刮膜式分子蒸馏蒸发液膜模拟中*两种湍流模型的比较向爱双许松林(天津大学化工学院国家精馏技术中心,天津300072)摘要针对外热刮膜式分子蒸馏的蒸发液膜进行模拟研究.对其湍流流场进行了二维两相流数学建模,并利用FLUENT流体力学计算(CFD)软件进行模拟.论文主要讨论了两种处理近壁面流动的湍流模型的优越性.首先简要介绍了刮膜式分子蒸馏与其他分子蒸馏的不同,说明了模拟中选用湍流模型的原因.研究提出了三个基本假设来简化建模和计算过程.FLUENT中提供了
2、各种湍流模型,对于近壁面处理,选用k-ε模型中的RNG和Realizable均可.由于Realizablek-ε湍流模型在FLUENT中是一种较新的方法,它与RNGk-ε湍流模型的优越性需要在具体模拟操作中检验.在旋转坐标系下,固定其他设置,分别选用上述两种湍流模型进行模拟,并利用VOF多相流模型追踪气液界面.从多个方面比较了两种模拟结果的异同,发现两种模拟结果在与前人研究基本吻合的前提下,均可以用来进行进一步的模拟研究.关键词刮膜式分子蒸馏蒸发液膜湍流模型计算流体力学旋转坐标系1概述利用CFD软件模
3、拟蒸发液膜的流体流动来研究刮膜式分子蒸馏,是一种新的理论研究方法.根据理刮膜式分子蒸馏是分子蒸馏的一种,它与降膜论分析,可以建立RNG和Realizablek-ε两种湍流模式和离心式分子蒸馏的不同主要在于形成蒸发液膜型研究近壁面湍流流动,但是这两种模型的优越性的作用力不同.随着刮膜转子的快速转动,液体在蒸[2]需要在实际模拟中加以比较.研究中还建立了VOF发表面上形成均匀的液体薄膜,加强了传热、传质过多相流模型来追踪气液相界面,模拟液面的波动情程,显著缩短了物料的停留时间,从而能避免物料的况,并采用了
4、增强壁面函数方法进一步处理近壁面热分解.根据文献,降膜式和离心式分子蒸馏的蒸发情况.在旋转坐标下,分别针对上述两种湍流模型进[1]液膜呈现层流流动.但对刮膜式分子蒸馏来说,液行求解,并比较了两种模型下的模拟结果.主要包括膜流动至少在刮膜转子附近是湍流状态的.液面波动情况的比较、特殊点处流速随模拟时间变化2004-09-05收稿,2004-12-03收修改稿*国家自然科学基金资助项目(批准号:20176037)SCIENCEINCHINASer.BChemistry12中国科学B辑化学第35卷的比较、流
5、场区域内流体流速、湍动能及湍流耗散率100mm,液膜初始厚度为0.5mm,转子直径4mm,等高线和收敛性等方面的比较.截去气体区域及冷凝部分直径80mm.截去气体区域大小的原则是不影响液膜的计算.实际操作中,液膜2基本假设是不允许从转子背面绕流的,也即原则上不会到达旋转刮膜式分子蒸馏装置的蒸发器内设置了一直径80mm内的区域.个转动的刮膜器,使物料均匀地覆盖在加热面上,强化了传热和传质,缩短了停留时间,降低了热分解性,[3]工业上应用比较广泛.但由于物料在流动的同时也加入了机械力的作用,导致分子蒸馏过
6、程的传热、传质研究变得异常复杂.图1为计算所参考的刮膜式分[4]子蒸馏装置,液膜位于加热夹套2与刮膜转子4之间的部分,转子是由三根成120°,直径为4mm的金属柱组成的.操作中,转子的转速一般为(120±30)rpm,液膜切向速度远大于重力引起的轴向速度.此外,液膜的轴向距离(20cm)远大于液膜厚度(0.01~0.025cm,计图2流体计算区域简图算中选取0.05cm).实际操作为高真空(绝对压力大于0.01Pa),存在传质和传热,非常复杂.因此,为简3建立数学模型与计算方法化计算,仅考虑不可压缩液
7、膜并忽略传质和传热的情况.基于以上分析,作如下假设:(1)重力对流动两种湍流模型都是建立在k-ε湍流模型基础上的.影响忽略不计;(2)液膜轴向速度无变化,仅切向和模型的连续性方程和动量传递方程如下:径向速度改变;(3)计算流体为不可压缩的.∂(ui)=0,(1)∂xi∂()ui∂(uuij)∂pρρ+=−∂∂txji∂x∂⎡⎤⎛⎞∂∂uuil∂uj2∂−()ρuuij′′++⎢⎥µδ⎜⎟−ij+,(2)∂∂xxjj⎢⎥⎣⎦⎜⎟⎝⎠∂xi3∂xl∂xj根据重正规化群(RNG)方法,给出k,ε方程分别为D
8、k∂⎛⎞∂kρ=∂⎜⎟⎜⎟αµkeff∂+Gk−ρε,(3)Dtxxj⎝⎠j图1VKL70型刮膜式分子蒸馏装置简图1.转子驱动马达,2.加热夹套,3.冷凝器,4.转子,5.冷却水出口,6.Dεε∂∂⎛⎞ε冷却水进口,7.残留物收集器,8.针形阀,9.冷阱,10.馏出物收集器,ρα=+∂∂⎜⎟⎜⎟εεµeffCG1kDtxjj⎝⎠xk11.油扩散泵,12.旋转式真空泵22εε*(4)−−CC22εερρ,kk根据假设,流体力学计算(CFD)区域简化为二维在
