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旋转填料床内流场与微混合的CFD模拟

作　者: 杨文婧
导　师: 王运东
学　校: 清华大学
专　业: 化学工程与技术
关键词: 液相流场微混合干床压降 CFD模拟旋转填料床
分类号: TQ019
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 57次
引　用: 1次
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内容摘要

旋转填料床作为一种新型的传质设备,已被广泛地应用于吸收、解吸、精馏、纳米材料制备等领域。它通过高速旋转获得超重力环境来强化传质及微混合过程,其效率比传统塔器高1～3个数量级。目前关于旋转填料床的研究主要集中在其工业应用,基础性研究相对匮乏。这是由于旋转填料床内填料结构精细,且伴随有高速的旋转场,其流场分布与传统的填料塔相比更加复杂,有很强的不均匀性,而目前通过实验手段只能宏观地观察流场分布,无法深入研究。不可否认对旋转填料床的流场做定量的细节研究是促使其基础理论进一步完善的必要步骤。计算流体力学的不断发展与计算机性能的飞速提高,使得通过CFD模拟来研究其流场特征成为既可行又有效的方法。本文从计算流体力学的理论出发,对旋转填料床中的复杂填料做了合理简化,建立了旋转填料床内三维及二维物理模型。依靠Fluent软件提供的计算平台,采用“realizable”k ?ε模型,对旋转填料床中不同转速(400r/min～1200r/min)及不同流速(0.1 m/s～5 m/s)条件下的液相流场分别进行了模拟,模拟的结果表明旋转填料床内流场的不均匀性主要由径向速度场造成,且在填料内缘处存在湍动强度更大的端效应,转速大小与流速大小的合理配合是得到优质流场的重要保证。针对旋转填料床内的微混合,本文采用涡-耗散模型对碘酸盐-碘化物反应体系进行了数值模拟,发现提高转速及选择合理的入口间隔角度(45°～60°)是改善微混合性能的重要条件。此外,本文还对干床压降做了相关的CFD模拟,选用“realizable”k ?ε模型与“SIMPLE”算法,求解了气相压力场,并对不同转速不同气速的压降变化做了对比分析,模拟结果与相关实验数据很接近,同时从气相流场的特征出发分析解释了干床压降的特征。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-11
第1章文献综述  11-34
  1.1 课题的背景和意义  11-12
  1.2 旋转填料床的研究进展  12-21
    1.2.1 旋转填料床及其发展  12-16
    1.2.2 旋转填料床的流体力学特性  16-20
    1.2.3 旋转填料床的微混合性能  20-21
  1.3 计算流体力学  21-31
    1.3.1 CFD 的基础理论  22-23
    1.3.2 CFD 的应用与湍流模型  23-26
    1.3.3 CFD 的传质反应模型  26-30
    1.3.4 CFD 的商用软件  30-31
  1.4 计算流体力学在旋转填料床中的应用  31-34
第2章旋转填料床内流场的CFD 模拟  34-50
  2.1 逆流型旋转填料床的结构分析  34-35
  2.2 流场的CFD 模拟  35-49
    2.2.1 物理模型的建立  35-38
    2.2.2 计算模型及参数设定  38
    2.2.3 网格划分  38-40
    2.2.4 边界条件  40
    2.2.5 计算结果分析  40-49
  2.3 小结  49-50
第3章旋转填料床内微混合的CFD 模拟  50-63
  3.1 微混合表征体系  50-52
  3.2 物理模型建立  52
  3.3 计算模型及参数设定  52-53
  3.4 网格划分  53
  3.5 边界条件与初始化  53-54
  3.6 计算结果与分析  54-62
  3.7 小结  62-63
第4章旋转填料床内干床压降的CFD 模拟  63-75
  4.1 物理模型  63-64
  4.2 计算模型  64-65
  4.3 边界条件与初始化  65-66
  4.4 网格划分  66
  4.5 计算结果分析  66-74
  4.6 小结  74-75
第5章结论与建议  75-77
  5.1 主要结论  75
  5.2 对今后工作的建议  75-77
参考文献  77-83
致谢  83-84
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  84

旋转填料床内流场与微混合的CFD模拟

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