流体中气泡微细化与分散过程的数值模拟

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1、第9卷增刊1过程工程学报Vol.9Suppl.No.12009年6月TheChineseJournalofProcessEngineeringJune2009流体中气泡微细化与分散过程的数值模拟刘燕，张廷安，杜靖尧，王淑婵，豆志河，蒋孝丽，赫冀成(东北大学材料与冶金学院，辽宁沈阳110004)摘要：采用CFD商用软件模拟了搅拌加喷吹情况下溶池中流场和相的分布.对比分析了水模型内单相流和两相流时液面和轴向迹线图、矢量图和相分布图，重点考察了中心搅拌和偏向搅拌对漩涡和相分布的影响规律.模拟结果表明，中心搅拌模式下在搅拌桨轴附近形成很大的漩涡，偏心时虽然也有漩涡形成，但偏离轴心.两相流偏心搅拌模式

2、下由于漩涡较小且偏离轴心，有利于气体的分散；偏心搅拌与中心搅拌相比可以抑制漩涡在几何中心的形成，有利于气体的分散和气泡的细化，同时偏心搅拌也可以有效地抑制水模底部的死区.研究结果对喷气机械搅拌装置的设计具有参考价值.关键词：CFD；数值模拟；搅拌槽；水模型中图分类号：TQ028.1+7文献标识码：A文章编号：1009−606X(2009)S1−0400−051前言第一项为扩散项，第二项为源项.上式对应于质量、动量、能量、湍动能和耗散率的守恒方程时，分别为l，在高温熔体喷气精炼过程中，气泡微细化对提高精µj，T，k和ε.其中ρ为流体的密度，Γφ为参量主体φ的炼效率具有重要的作用和意义.但由于高

3、温和耐火材料湍流交换系数，是连接动量方程和湍流方程的纽带的原因，在高温熔体喷气精炼过程不得不采用结构简单Γφ=µ+µt/σφ，σφ中为参量φ的Prandt1数，Sφ为关于参量的搅拌桨.为了提高精炼效率，只能在简单结构的搅拌φ的微分方程的源项，湍流模型为标准k−ε模型.桨的基础上，通过改变搅拌方式和条件的办法寻求气泡2.2湍流模型[1−5]微细化和分散适宜条件.刘燕等基于相似原理，在水采用的湍流模型是标准k−ε模型.受到计算条件的模型实验中着重考察搅拌模式、搅拌转速、喷气流量、限制，大量工程问题的模拟计算仍然依靠湍流模型来进喷吹方式、搅拌桨浸入深度、喷嘴浸入深度等可控因素行，最常用的是标准k−

4、ε模型，它是一个半经验模型.大系统地研究了气液反应过程中气泡微细化和气泡分散量的计算结果及其与实验结果的比较表明，标准k−ε模的影响因素及其相互作用规律，并提出“原位法机械搅型在计算边界层流动、管内流动、剪切流动及三维边界[6]拌脱硫新方法”.层流动等方面都取得了相当成功.但在预测强漩流、浮本研究主要采用CFD商业软件FLUENT和力流、重力分层流以及低雷诺数流动方面，和实验结果MIXSIM，分别在单相流和两相流情况下模拟了溶池中还存在差距.原因可能是模型本身的假设(如各向同性流场和相的分布，对比了中心搅拌和偏心搅拌对流场的湍流)和模型中的一些模型参数不合适引起的.文献[7]影响.主要利用液

5、面运动的迹线图体现漩涡的形成过指出，对计算结果影响最大的是模型参数C1和C2的取程，用自由液面和轴向界面的速度矢量图观察流场.两值，C1或C2变化5%时，对射流喷射率的影响可达20%.相时通过将速度矢量图用空气速度染色可以观察溶池[8]当湍流模型为标准k−ε模型时，模型参数如表1内是否存在死区，利用相分布图查看气体的分布范围.所示.2水模型实验三维流场的数值模拟表1k−ε模型中常用的参数Table1Parametersink−εturbulentequation2.1控制方程CνC1C2σkσf0.091.441.921.01.3采用常规的柱坐标下雷诺连续性方程、动量方程及湍流能量方程.用φ

6、表示因变量，通用表达式如下.2.3水模型结构及计算区域计算所采用的水模型结构如图1所示.溶池为圆柱∂/∂t(ρφ)+∂/∂xt(ρutφ)=∂/∂t(Γφ∂φ/∂xt)+Sφ,(1)形，搅拌桨为叶直桨，桨叶上宽下窄倒梯形结构.计算式中左边的第一项为时间项，第二项为对流项，右边的区域选择整个水模型区域.收稿日期：2008−10−18，修回日期：2009−03−23基金项目：国家973计划资助项目(编号：2007CB613504)；辽宁省青年人才基金资助项目(编号：2005221012)；教育部高校博士点专项基金资助项目(编号：20050145029)作者简介：刘燕(1970−)，女，湖南省湘乡

7、县人，博士，副教授，主要研究方向为电磁冶金；张廷安，通讯联系人，zta2000@163.net.增刊1刘燕等：流体中气泡微细化与分散过程的数值模拟401图1水模型示意图(中心搅拌)Fig.1Schematicrepresentationofwatermodel(centricstirring)2.4搅拌桨的模拟及边界条件2.5网格划分与数值模拟环境[9]2.4.1多重参考系法采用FLUENT的前处理软件Gam