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气—气快速混合过程的CFD数值模拟

作　者: 申明星
导　师: 曹贵平
学　校: 华东理工大学
专　业: 化学工程
关键词: 射流快速混合数值模拟动量比混合不均匀度
分类号: TQ051.71
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

在化学工业中经常会遇到两股或多股气体的混合过程,本文利用CFD数值模拟设计了一种能实现两股气体在极小的空间和极短的时间内均匀混合的错流射流混合器,并对其结构参数和工艺操作条件进行了优化,通过冷模实验进行对比验证,得到了可以使两股气体在极小空间和极短时间内达到均匀混合的混合器。一般来讲混合器的结构参数和工艺操作条件包括：混合器上射流小孔的孔径、孔间距、层间距、混合器长径比及进料动量比等。本文对这些因素进行了模拟研究,通过模拟发现,混合器内的混合效果受混合器结构和工艺操作参数的影响是十分明显的：混合器侧面射流流体与顶部主流流体的动量比足够大,才能保证侧面流体射流深度较深,足以射入混合器中心与顶部主流流体发生混合；错流射流混合器中,气体射入混合器后,在较短的距离内即可达到均匀混合；混合器侧面及顶部开孔应根据具体生产规模、混合器直径以及混合效果进行优化设计,减小侧面开孔的直径、增加侧面开孔数是有利于混合更加均匀的；混合器形状对流体进入混合器后的流动发展有明显影响,混合器混合段流道的收缩有利于形成顺压梯度,从而利于混合效果的改善。此外,我们进行了相应的冷模实验验证数值模拟结果。由验证结果可知,数值模拟与实验的相对偏差在9.20%-16.27%之间,在工程上是完全可以接受的,数值模拟在一定程度上可以代替那些成本昂贵的流体动力学实验,从而节省了大量人力、物力和时间,为那些难以实施物理实验的复杂流体过程的研究提供了一个准确、高效的工具。最后,我们将优化设计好的错流射流混合器和已得到工业化的两个混合器在相同的混合条件下分别进行了模拟研究,研究结果表明,我们设计优化的混合器要远远优于另外两种工业混合器,在一定程度上能大幅加强流体混合效果,从而改善化学反应的产物分布。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-9
第1章前言  9-11
  1.1 课题背景及意义  9-11
第2章文献综述  11-35
  2.1 混合  11-13
  2.2 混合机理  13-15
    2.2.1 分子扩散  13-14
    2.2.2 湍流扩散  14
    2.2.3 主体扩散  14-15
  2.3 混合不均匀度  15
  2.4 混合设备  15-25
    2.4.1 机械搅拌器  16-19
    2.4.2 射流混合器  19-21
    2.4.3 静态混合器  21-25
  2.5 CFD数值模拟  25-33
    2.5.1 计算流体力学  25-26
    2.5.2 CFD基本理论  26-29
    2.5.3 CFD应用  29-31
    2.5.4 CFD的特点  31
    2.5.5 CFD的求解过程  31-33
  2.6 模拟软件Fluent  33-35
第3章气气快速混合CFD数值模拟  35-51
  3.1 研究体系  35-36
    3.1.1 化学反应模型  35-36
    3.1.2 混合效果评价  36
    3.1.3 考察因素  36
  3.2 数学方程  36-37
  3.3 边界条件  37-38
  3.4 模拟结果  38-51
    3.4.1 单孔与多孔射流特性分析  38-39
    3.4.2 混合器侧面开孔分布  39-41
    3.4.3 混合器顶部开孔分布  41-44
    3.4.4 混合器长径比  44-46
    3.4.5 进料动量比  46-47
    3.4.6 进料速度绝对值  47-48
    3.4.7 混合器形状  48-51
第4章气气快速混合冷模实验  51-66
  4.1 实验材料与设备  51-52
  4.2 实验流程  52-53
  4.3 气相色谱分析  53-56
    4.3.1 填充柱制备  54-55
    4.3.2 分析条件  55
    4.3.3 分析图谱  55-56
  4.4 实验结果与模拟结果对比  56-66
    4.4.1 实验参数  56
    4.4.2 实验结果  56-57
    4.4.3 数值模拟结果  57-60
    4.4.4 模拟结果与实验结果对比  60-66
第5章两种工业混合器的CFD数值模拟  66-72
  5.1 文丘里式喷射混合器  66-67
  5.2 错流混合器  67-72
第6章全文总结  72-73
符号说明  73-74
参考文献  74-81
攻读硕士期间论文情况  81-82
致谢  82

气—气快速混合过程的CFD数值模拟

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