旋转填充床中流体流动的三维CFD数值模拟研究
旋转填充床在化工过程强化方面有着特殊优点，很多学者已经在其工业应用方面取得了巨大的成果，但是对于其内部流场的流体力学性能还有待作进一步的研究。本文将实际的填料视作多孔介质，利用FLUENT商业软件中的多孔介质模型，根据实验室中的旋转床尺寸，建立了多种不同内结构的旋转填充床三维物理模型，同时选择了适合多孔介质模型下的湍流方程，分别对气相与气液两相流动进行了数值模拟。主要研究结果如下:
(1)在多孔介质模型中，标准k-ε湍流方程模型的模拟结果比Realizable k-ε湍流方程模型的模拟值更加接近实验数据，标准k-ε湍流方程模拟结果与实验数据平均误差为14.7％;且填料的孔隙率越高，气相压降越低。
(2)模拟了气体流量与转速对常规旋转填充床气相压降的影响规律。结果表明，气相压降均随气量与转速的增大而增大，模拟结果与实验结果平均误差在±20％以内;在多孔介质模型中，空腔区流体的湍动能大于填料区的湍动能。模拟了径向厚度对气相压降的影响，结果表明，在固定填料外缘直径条件下，填料越厚，压降越小;在固定填料内缘直径条件下，填料越厚，压降越大。在旋转床空腔中加入丝网以后，压降增大，气体沿丝网与壁面存在较大的速度梯度，空腔内气体的流速沿径向逐渐减小。
(3)建立了分段进液式超重力旋转填充床的三维物理模型，考察了气量与转速对压降的影响，气量对压降的影响的模拟值与实验值平均误差在±20％以内，转速对压降的模拟值与实验值平均误差在±10％内。通过速度云图可以看出填料区与填料中间的空腔区气体速度大小不同，这是因为高速转动的填料对气体有阻力作用。
(4)建立了切向进口、径向进口、径向加挡板进口、径向挡板开孔进口四种不同结构旋转床的三维物理模型，并对这四种结构旋转床的压降与气体沿径向分布均匀性做了模拟，发现气相压降均随气量与转速的增大而增大，并且四种不同进口方式进出口压降增幅基本一样。径向进口结构的旋转床内部，气相分布很不均匀，压力波动幅度较大。径向挡板开孔结构旋转床气相分布要优于进口挡板未开孔结构的旋转床。相比较而言，切向进口结构旋转床气相分布较为均匀。总体气相分布均匀性最好的为切向进口，其次为径向挡板开孔进口，再次为径向挡板进口，最差的为径向进口，在实际工程应用中，气流量比较大时，切向机械加工很复杂，可以用径向挡板开孔进口的方式代替切向进口。
(5)采用离散颗粒模型，建立了旋转填充床气液两相模型。模拟结果表明，液滴从喷射源出来后，速度瞬间减小，进入填料层后速度开始增大，从填料层出来后速度减小，直到碰到壁面消失，液滴碰到壁面时的速度并不为零。湿床压降比干床小，但是降幅很少，并且湿床压降随着气量与转速的增大而增大。转速越大，液滴沿径向运动的流向弯曲程度越大。
旋转填充床;流体流动;三维物理模型;数值模拟;湍流方程
北京化工大学
硕士
化学工程与技术
沈志刚
2013
中文
TQ053.5;TQ015.9
89
2013-12-31（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）