探析规整化多孔介质内气液两相鼓泡流动的测量与模拟

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1、天津大学硕士学位论文规整化多孔介质内气液两相鼓泡流动的测量与模拟姓名：成洁申请学位级别：硕士专业：化学工程指导教师：刘春江20070601中文摘要鼓泡塔内装填规整填料后，气液两相的流动、传质与反应特征会有很大变化，采用这种结构有可能开发一些新型鼓泡塔反应器，因此研究规整化多孔介质内气液两相鼓泡流动现象具有重要的学术和实用价值。为此，本文采用三维激光多普勒测速仪(LaserDopplerVclocimctry，LDV)对规整填料内局部鼓泡流场进行了测量，同时应用计算流体力学(computationalfluiddynamic，CFD)方法对规整填料内的鼓泡流动现象进行数值模拟。实验研究了M

2、ellapak350Y型规整填料内部的鼓泡流动，考察了气体流动及填料内部结构对液相时均速度场的影响。在不同的气体流量下，采用激光多普勒测速仪测量不同高度截面上气泡周围的液相流场。实验结果表明，规整填料对气泡具有切割和分散作用；受相间作用力影响，在垂直方向上，距离气泡越近，液体的速度越大，随着气相流量的增大，其对液相流场的影响也在逐渐扩大，并且气泡对液相的影响容易向流道较宽的区域发展；同时气泡的运动还促进了液体水平方向的流动。对气泡附近液相单点垂直方向瞬时速度的测量发现，速度值随时间呈现频繁地波动，通过小波分析得到了不同尺度的脉动能量分布，结果表明气泡对液相的影响主要体现为引起液相速度的高

3、频振动。由于规整填料复杂的几何形状和计算能力的限制，目前还不能模拟整块填料内的鼓泡流动，为此建立了简化二维和三维物理模型，并采用VOF多相流模型进行了非稳态数值模拟。模型中考虑了影响气液两相流动的两个重要作用力：表面张力和气液相间作用力。对二维模型的计算结果显示，气泡在上升过程中自身振荡，随着入口气速的增大，气泡形变程度增大，并且发生合并。气泡周围的液体速度增大，并且形成了大小不同的旋涡结构，单点速度值的波动程度随气体入口速度的增大而增大；三维数值模拟可以清晰地再现规整填料波纹交点对气泡的分割过程，水平截面上液体形成了气泡周围大，周边逐渐减小的速度分布。此外，气泡经过波纹交点运动轨迹发生

4、改变，填料波纹上下分别形成液体的局部环流区，这些流动特征有利于液相的径向混合，削弱整体回流。关键词：规整填料鼓泡塔气液鼓泡流动激光多普勒测速仪计算流体力学流场ABSTRACTThehydrodynamicbehaviorofbubblyflowinbubblecolumnspackedwithstructuredpackingisdifferentfromthatinemptybubblecolumns．Inordertoinvestigatethehydrodynamicpropertiesofbubblyflowinstructuredpacking，three-dimensiona

5、lLaserDopplerVelocimetry(LDV)wasusedtomeasuretheliquidvelocitydistribution．Besides，thecomputationalfluiddynamic(CFD)methodwasusedtosimulatethebubblyflowinstructuredpacking．TheexperimentalobjectwasbubblyflowinMellapak350Ystructuredpacking．Theinfluenceofgasflowrateandpackinggeometryontime-averagedv

6、elocitydistributionwasinvestigated．Three—dimensionalLaserDopplerVelocimetry(LDV)wasusedtomeasuretheliquidvelocitysurroundingthebubbleswithdifferentgasinletflowrate．Theexperimentalresultsshowthatthebubblesweredisintegratedanddispersedbystructuredpacking．Influencedbyforcesnearinterface，inverticaldi

7、rection，thesmallerthedistancebetweenliquidandbubbles，thelargerthevelocityofliquidwasobserved．Asthegasflowrateincreased,theregionofliquidinfluencedbygasphasewasenlarged，andthisregiontendedtoexpandwheretheflowpassagewasb