鄒韶明 朱瑞林

（江西工程學(xué)院） （湖南師范大學(xué)工學(xué)院)

0 引言

在化工設(shè)備中，擋板的間隔對其中的流體的流場是有影響的，而流場會對裝置中的化工過程產(chǎn)生影響，因此在換熱器、混合器、反應(yīng)器以及各種有關(guān)化工過程設(shè)備的設(shè)計中，擋板的間距一直都是一個很重要的參數(shù)。許多的學(xué)者運用實驗或是理論分析的方法對許多裝置的擋板間距問題進行了研究，得出了各種裝置中有關(guān)擋板間距的理論或是實際最佳參數(shù)。本文以一種新型過程強化裝置為研究對象，利用數(shù)值分析的方法來研究該裝置關(guān)于擋板間距的最佳值問題。

1 新型過程強化裝置簡介

新型過程強化裝置[1-3]如圖1所示，其工作原理是通過在過程設(shè)備上設(shè)置與之配合的機械振蕩裝置，使過程設(shè)備內(nèi)的流體形成紊流或充分混合，以強化工藝過程。

2 仿真模型建立

選用圓環(huán)形擋板，利用Fluent建立該裝置的三維模型。取裝置中的一節(jié) （兩相鄰擋板間的空間）作為研究對象，采用Gambit中的自適應(yīng)混合網(wǎng)格進行網(wǎng)格劃分，如圖2所示。選用有限體積法和RNG κ-ε計算模型[4-7]進行計算，對過程強化裝置采用不同擋板間距時的流場進行分析。

圖1 新型過程強化技術(shù)及其裝置

圖2 筒體的網(wǎng)格劃分

3 不同擋板間距下流場的數(shù)值模擬

在化工過程中，流體的傳質(zhì)和傳熱的效果均與流場中的速度大小以及分布有關(guān)，其傳熱和傳質(zhì)效率與流場中流體質(zhì)點的雷諾數(shù)直接相關(guān)，故本文將對不同徑高比 （即筒體直徑與擋板間距的比值）情況下新型強化裝置中間面上流體質(zhì)點單元流場速度值、徑向速度以及雷諾數(shù)的分布進行分析。

為了使所得結(jié)果具有可比性和代表性，本文選擇在相同時刻、相同頻率和相同振幅時，對該過程強化裝置筒體在不同尺寸參數(shù)下的流場進行分析。為了便于比較，取圓形開孔，開孔率為0.5，頻率為5 Hz，振幅為3 cm。本文分別取筒體的徑高比為 1 ∶1， 1 ∶1.25， 1 ∶1.375， 1 ∶1.5， 1 ∶1.625， 1 ∶1.75，1∶2，即當筒體直徑為100 mm時，分別取筒體高度為100 mm，125 mm，137.5 mm，150 mm，162.5 mm，175 mm，200 mm。經(jīng)過Fluent軟件的數(shù)值模擬，得到速度、徑向速度和雷諾數(shù)隨筒體高度變化的情況圖 （見圖3～圖5）。

圖3 筒體尺寸參數(shù)變化時中間面上的速度平均值變化圖

圖4 筒體尺寸參數(shù)變化時中間面上的徑向速度變化情況圖

圖5 筒體尺寸參數(shù)變化時中間面上的雷諾數(shù)變化情況圖

從裝置中質(zhì)點的速度、徑向速度和雷諾數(shù)變化情況圖可以看出，在所施加的強化條件相同時，在相同時刻，筒體的形狀不同，速度值也不相同。當筒體直徑取100 mm時，隨著筒體高度的不斷增大，筒體xoz平面上各質(zhì)點的速度值以及徑向速度和雷諾數(shù)并不是呈單調(diào)變化的。在筒體高度由100 mm增大至150 mm時，這幾個參數(shù)的值隨著筒體高度的增加不斷增大；但是在筒體高度超過150 mm后，這幾個參數(shù)的值隨著高度的繼續(xù)增加而減小。流體質(zhì)點的徑向速度和雷諾數(shù)對于化工過程的進行有著重要的影響。徑向速度的大小決定著筒體內(nèi)中間部分的流體能否與靠近筒體壁面處的流體進行充分接觸，而這將直接影響到化工過程中熱量和質(zhì)量的傳遞。雷諾數(shù)的大小反映了流體的湍動程度，在化工過程中，有時希望加大雷諾數(shù)來對過程進行強化。因此，由上述分析可以得出，在筒體直徑為100 mm、筒體高度為150 mm時，流體的徑向混合最好，流體的湍動程度最大。也就是說，在該裝置中擋板的間距取150 mm時 （即徑高比為1∶1.5時），能達到最好的強化效果。Brunold曾通過實驗得到結(jié)論：當腔室長度約為管徑的1.5倍時，腔室內(nèi)的流體混合效果是最好的。通過上面對流場中各有關(guān)參數(shù)的比較和分析，我們得到了與Brunold相同的結(jié)論。

4 結(jié)論

在新型過程強化裝置中，擋板的間距并不是越大越好。本文基于Fluent軟件，用數(shù)值模擬的方法，根據(jù)流體中質(zhì)點的速度分布情況，得出了當裝置的擋板間距為管徑值的1.5倍時，流體中流體質(zhì)點的各參數(shù)均達到最大值，此時流體質(zhì)點的運動最為活躍，最有利于過程的強化。

[1] 朱瑞林.一種新型振蕩流強化反應(yīng)器制備生物柴油的探討 [J].化工裝備技術(shù),2013，34(4)：8-10.

[2] 朱瑞林.一種工藝過程的強化技術(shù)及其裝置 [P].中國：200510031285.6.

[3] 朱瑞林.一種反應(yīng)器的強化技術(shù)與裝置 [P].中國：200810098944.1.

[4] Michelassi V，Wissink J G,Rodi W.Direct numerical simulation,large eddy simulation and unsteady Reynoldsaveraged Navier-Stockes simulations of periodic unsteady flow in a low-pressure turbine cascade：A comparison[J].Journal of Power and Energy,2003,217(4)：403-412.

[5] Feiz A A， Ould-Rouis M， Lauriat G.Large eddy simulation of turbulent flow in a rotating pipe[J].Interational Journal of Heat and Fluid Flow， 2003， 24(3)：412-420.

[6] Ivan M，Pierre S.Large eddy simulation of floe around an airfoil near stall[J].AIAA Journal， 2002， 40(6)：1139-1145.

[7] Grigoriadis D G E， Bartzis J G， GoulasA.Efficient treatment of complex geometries for large eddy simulation of turbulent flow[J].Computers and Fluids， 2004， 33(2)：201-222.