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毛细管中两相流的CFD模拟

作　者: 梁晓光
导　师: 许松林
学　校: 天津大学
专　业: 制药工程
关键词: 毛细管 气液两相流 传质 计算流体力学
分类号: O359.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


进入20世纪以来,自然科学与工程技术发展的一个重要趋势是向微型化发展,随着微全分析系统和微机电系统概念的提出和发展,微化工技术也成为化学工程学科发展的一个全新的重要方向之一,如毛细管精馏、微通道反应器等。研究发现,微通道内的气液传质效率比常规尺度中的提高了2-3个数量级。同时微通道反应器还具有较短的输送路径,从而具有较低的阻力降,进一步提高了传质与传热的效率。对于工业化大规模应用所要求的具有批量生产能力的要求,目前可以通过对将大量微反应器单元组装在一起加以解决应用,从而缩短了从实验室到工业化生产应用传化所需的时间。对毛细管通道中内两相流特性的研究,将有助于揭示毛细管内两相传质的机理,从而更好的进行改进,推动微化工的发展。毛细管通道内的气液两相流型在低气速时以泰勒流为主,本文利用计算流体力学软件Fluent6.3.26通过建立二维模型对毛细管中两相流进行了模拟研究。通过改变进口处气液表观速度研究了微管内的气液两相的发展过程、压降、气液柱长等,发现在两相交界面处,两相之间存在漩涡,加快了传质效率,随着气液两相速度差的增大,漩涡越大,湍动越剧烈;随着气液两相速度的增大,压降也随之增大。改变气液速度得到不同气液柱长的泰勒流,研究了气液柱长度与气液速率之间的关系,并将气液柱长的模拟值与文献中的关联式进行比较,发现在一定范围内吻合较好。建立三维模型,并与二维模型进行比较,发现两者之间在微管内的速度分布、气液柱长、气相分布等方面具有相似性,而三维中的压降比二维中的偏大20%左右,这与文献中的测量值具有很好的吻合性。同时建立毛细管二维逆流操作的传质模型,利用VOF法建立了考虑表面张力动量源相、相间传质源相的CFD计算模型,定量地描述了毛细管中气液两相逆流流动的传质过程。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章 文献综述  8-16
  1.1 引言  8-9
  1.2 毛细管中两相流的研究  9-15
  1.3 本课题主要研究内容  15-16
第二章 2D毛细管中气液两相的CFD 模拟  16-32
  2.1 引言  16
  2.2 物理模型的建立  16-17
  2.3 数学模型  17-23
    2.3.1 控制方程  17-19
    2.3.2 动量源相的确定  19-20
    2.3.3 重力相的确定  20-21
    2.3.4 初始条件  21
    2.3.5 边界条件  21-22
    2.3.6 网格划分与数值计算方法  22-23
  2.4 计算结果与讨论  23-31
    2.4.1 气相两相在毛细管中的流动过程  23-24
    2.4.2 速度矢量图  24-26
    2.4.3 气液表观速度对气液柱的影响  26-28
    2.4.4 压降  28-31
  2.5 本章小结  31-32
第三章 3D毛细管气液两相流的CFD 模拟  32-40
  3.1 引言  32
  3.2 物理模型  32-33
  3.3 数学模型  33-35
    3.3.1 控制方程  33-34
    3.3.2 网格划分策略  34
    3.3.3 初始条件  34-35
    3.3.4 边界条件  35
  3.4 模拟结果与讨论  35-39
    3.4.1 速度矢量图的比较  35-36
    3.4.2 压降  36-38
    3.4.3 气液柱长  38
    3.4.4 流动发展过程  38-39
  3.5 本章小结  39-40
第四章 毛细管两相流动中的传质研究  40-48
  4.1 引言  40
  4.2 物理模型  40-41
  4.3 数学模型  41-45
    4.3.1 控制方程  41-42
    4.3.2 动量源相的确定  42
    4.3.3 质量源相的确定  42-43
    4.3.4 计算策略  43
    4.3.5 网格划分策略  43-44
    4.3.6 条件设置  44-45
    4.3.7 数值格式  45
  4.4 计算结果与讨论  45-47
  4.5 本章小结  47-48
第五章 结论与展望  48-50
  5.1 结论  48-49
  5.2 展望  49-50
符号说明  50-51
参考文献  51-56
发表论文和参加科研情况说明  56-57
致谢  57

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中图分类: > 数理科学和化学 > 力学 > 流体力学 > 多相流 > 液、气（汽）二相流
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