球形粒子填料床中流体流动特性的CFD模拟
发布时间：2020-08-04 15:12
【摘要】：粒子填料床广泛应用于化工、冶金、农业等诸多领域,研究其中的流体动力学特性可以为填料床使用中出现的问题提供解决方案,并为填料床设备的设计和制造提供理论基础。本文利用计算流体力学软件FLUENT,对球形粒子填料床内的单相流体流动进行了模拟,主要工作及结论如下:首先,建立了球形粒子填料床的二维模型,对于填料床中的流动特性进行了模拟,分析了粒子间隙大小、进口速度及粒子排布方式三个因素对于流动的影响,结论包括:压力在轴向上呈递减分布,压降、流速和涡流情况与粒子间隙大小成反比;压降和出口速度与进口速度大小成正比;三角形排布时,管壁附近的区域流速较大,相较于四边形排布,三角形排布的压降更大,但流动更加均衡,涡流情况较弱。其次,对带有扩径区和凹陷区的球形粒子填料床的二维模型进行了模拟,两类填料床的压力分布与正常管柱的填料床相同,都是在轴向上压力大小递减,径向上大小相等;进出口压降则由于变径区的存在而增大,带扩径区时压降增大的幅度在10%左右,带凹陷区时压降增大的幅度超过10%;扩径段内的流动速度则由于流动区域的增加相对减小,涡流情况也相应减弱;随着扩径区直径d_(ex)的增大,压降先增大后减小;凹陷段内的流动速度因为流动通道尺寸的减小而增大,相应的涡流情况也更加严重;压降随着凹陷区直径增大而增大。最后,对直径比D/d在1~3之间的几种填料床的三维模型进行了模拟,分析了填料床孔隙率与直径比的关系,发现直径比D/d2时,得到的孔隙率与直径比成正比,直径比D/d=2.3时,孔隙率的大小受到粒子填充方式的影响,三种填充方式对应的孔隙率大小顺序为(C)(A)(B);填料粒子与管壁之间的宽阔空隙构成了流动的主要通道,这些较大的空隙内,压力和流速较大,涡流情况较弱,而填料粒子之间的间隙内和粒子与管壁之间的狭窄空隙内,压力和流速较小,涡流情况严重;直径比D/d在1~3之间的填料床的压降与Ergun~([47])方程偏差很大,不能用Ergun~([47])方程来预测压降;根据压降数据得到的修正方程与计算结果基本吻合,与文献方程偏差不超过5%,因此可以来预测压降。
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O35;TQ051;TQ021.1
【图文】：
由于粒子内孔和外孔构成的流动通道的复杂性，填料床中流体呈现出相当的复杂性。Giddings[8]详细地研究了粒子填料床中影响动形态，并进行了详细的分类，如图 1-2 所示：（1）跨通道流动（tranution）源自于粒子间每一个单独通道内的轴向速度分布，虽然填料道有更加复杂的几何形态和流动速度分布，但这种流动形式和在圆根-泊肃叶（Hagen-Poiseuille）流动形态非常类似；（2）短程通道ort-range interchannel contribution）是由于在松散填料区域中存在的；（3）局部堆积密度波动造成紧凑的粒子间穿插着堆积松散的区域的通道内的流动（long-range interchannel contribution）；（4）柱内也就是在管柱中心和管壁之间的流动相速度系统变化的存在导致了anscolumn contribution）；Giddings[8]也提出了第五种形态，即在多孔引起速度偏差的跨粒子流动（transparticle contribution）。流动相对部的孔扩散影响非常小，粒子内孔中的流动相速度接近为零，流动扩散穿过或者离开粒子[16]。
图 1-2 对于涡流扩散有影响的不同流动形态的分类[8]Fig. 1-2 Definitions, locations, and scales of the different velocityinhomogeneities contributing to eddy dispersion according to Giddings料床内部孔结构的表征是多孔介质领域里一个非常重要的研究课题于表征孔结构的常规方法有压汞法、氮吸附法和 X射线小角度衍射规方法都一定的缺点，比如存在一定的破坏性，而且使用不太方便z 小组[20-22]工作的基础之上，Guan[23-25]等利用反向尺寸排阻Inverse Size-Exclusion Chromatography)测定了几种 C18 反相填充色布，并与上述几种常规方法的结果比较，发现反向尺寸排阻色谱法，使用更加方便，得到结果更加快速，是更有效的测定孔隙结构的，扫描电镜、透射电镜等分析微观结构的检测方法被用来表征填料，达到了很好的效果，使填料的制备技术及表征得到了很大的发展2 孔隙率
天津大学硕士学位论文模型分析时也将填料粒子看作内部没有孔隙的实心刚装填料（bulk packing）即直径比较大、边界影响非常的径向孔隙分布呈现震动形式，且靠近管壁的地方振动幅度随着离管壁的距离的增大而减小，如图 1-3[4 D/d<3 时，孔隙的径向分布与上述的大直径比填料料床内的填料粒子以一种非常有序的方式排列，填料[31-32]。而当直径比 2<D/d<3 时，Guo 等[33]和 Theue型分析发现，细长填料床径向上的孔隙最大值在圆柱比 2<D/d<3 时，填料床中，沿着管柱的中心线存在着通道。当 D/d>3 时，随着 D/d 的增大，填料粒子填充直径比相同，孔隙率值也不同，因此 D/d>3 时，还没关系方程被报道。
本文编号：2780723
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O35;TQ051;TQ021.1
【图文】：
由于粒子内孔和外孔构成的流动通道的复杂性，填料床中流体呈现出相当的复杂性。Giddings[8]详细地研究了粒子填料床中影响动形态，并进行了详细的分类，如图 1-2 所示：（1）跨通道流动（tranution）源自于粒子间每一个单独通道内的轴向速度分布，虽然填料道有更加复杂的几何形态和流动速度分布，但这种流动形式和在圆根-泊肃叶（Hagen-Poiseuille）流动形态非常类似；（2）短程通道ort-range interchannel contribution）是由于在松散填料区域中存在的；（3）局部堆积密度波动造成紧凑的粒子间穿插着堆积松散的区域的通道内的流动（long-range interchannel contribution）；（4）柱内也就是在管柱中心和管壁之间的流动相速度系统变化的存在导致了anscolumn contribution）；Giddings[8]也提出了第五种形态，即在多孔引起速度偏差的跨粒子流动（transparticle contribution）。流动相对部的孔扩散影响非常小，粒子内孔中的流动相速度接近为零，流动扩散穿过或者离开粒子[16]。
图 1-2 对于涡流扩散有影响的不同流动形态的分类[8]Fig. 1-2 Definitions, locations, and scales of the different velocityinhomogeneities contributing to eddy dispersion according to Giddings料床内部孔结构的表征是多孔介质领域里一个非常重要的研究课题于表征孔结构的常规方法有压汞法、氮吸附法和 X射线小角度衍射规方法都一定的缺点，比如存在一定的破坏性，而且使用不太方便z 小组[20-22]工作的基础之上，Guan[23-25]等利用反向尺寸排阻Inverse Size-Exclusion Chromatography)测定了几种 C18 反相填充色布，并与上述几种常规方法的结果比较，发现反向尺寸排阻色谱法，使用更加方便，得到结果更加快速，是更有效的测定孔隙结构的，扫描电镜、透射电镜等分析微观结构的检测方法被用来表征填料，达到了很好的效果，使填料的制备技术及表征得到了很大的发展2 孔隙率
天津大学硕士学位论文模型分析时也将填料粒子看作内部没有孔隙的实心刚装填料（bulk packing）即直径比较大、边界影响非常的径向孔隙分布呈现震动形式，且靠近管壁的地方振动幅度随着离管壁的距离的增大而减小，如图 1-3[4 D/d<3 时，孔隙的径向分布与上述的大直径比填料料床内的填料粒子以一种非常有序的方式排列，填料[31-32]。而当直径比 2<D/d<3 时，Guo 等[33]和 Theue型分析发现，细长填料床径向上的孔隙最大值在圆柱比 2<D/d<3 时，填料床中，沿着管柱的中心线存在着通道。当 D/d>3 时，随着 D/d 的增大，填料粒子填充直径比相同，孔隙率值也不同，因此 D/d>3 时，还没关系方程被报道。
【参考文献】
相关期刊论文 前2条
1 李勇,刘志友,安亦然;介绍计算流体力学通用软件——Fluent[J];水动力学研究与进展(A辑);2001年02期
2 叶芬 ,郭雁冰,林炳承 ,卢佩章;高效微填充柱性能考察[J];色谱;1988年03期
相关博士学位论文 前1条
1 高红;液相色谱填料粒内传质参数识别及简化General Rate模型的应用[D];大连理工大学;2010年
相关硕士学位论文 前2条
1 陈勇;气固两相流变压吸附制氧的CFD模拟[D];大连理工大学;2013年
2 江荣荣;气相色谱仪进样器内部流场分析及性能优化[D];武汉理工大学;2013年
本文编号：2780723
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