| 题名 | 多层桨表面曝气反应器构型优化和表面曝气吸气漩涡的数值模拟 |
| 作者 | 李向阳 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2009-01-22 |
| 授予单位 | 中国科学院过程工程研究所 |
| 授予地点 | 过程工程研究所 |
| 导师 | 毛在砂 |
| 关键词 | 表面曝气 多层桨 气-液两相流 水平集方法 大涡模拟 表面曝气机理 涡分裂 质量(体积)守恒 重新初始化 |
| 其他题名 | Surface Aerator: Optimization of Multiple Impeller Configuration and Numerical Simulation on Bubble-Entrained Vortex |
| 学位专业 | 化学工程 |
| 中文摘要 | 表面曝气反应器是气液和气液固多相搅拌反应器中较特殊的一种，其通过表面曝气桨的搅拌作用，使未反应的气体由反应器内液面上方的空间再次吸入并分散，减少未反应气体的分离、净化和压缩，因而对减小设备投资、节省运行费用具有重要意义。 表面曝气反应器存在吸入气体主要集中在反应器上部表面曝气桨周围、气相在整个反应器内分布很不均匀的缺陷，反应器高径比越大问题越突出，这大大限制了表面曝气反应器的应用范围。针对以上缺陷，本文首先依据流场耦合和叠加的原理，构建了五种双层桨表面曝气反应器构型，实验研究了各种构型的气液传质系数、搅拌功率和混合时间等流体力学和传质特性。结果表明在表面曝气桨下方增加搅拌桨能减轻单层桨构型搅拌的表面曝气反应器的缺陷。径流桨作为表面曝气桨与排量大、整体循环能力强的上推式轴流桨组成的双层桨构型综合性能最优。 在高径比更大的表面曝气反应器中，只是通过在表面曝气桨下方增设搅拌桨将表面吸入的气体分散到反应器底部的效果越来越不明显。恰当地将两种供气方式的优势结合起来可望解决这一问题。实验测定了各三种不同构型的带气体分布器供气的双层桨和三层桨组合表面曝气反应器的气液传质系数和搅拌功率。表面曝气结合气体分布器供气，可以降低气液反应器的气体过量系数，使反应器下部气相的分散混合更加均匀，反应器内的气液传质大大加强。无论双层桨还是三层桨实验，均是径流桨作为下层桨时反应器内的气液传质性能更好，这与单一表面曝气供气条件下不同，这是因为下层桨执行的职能不同，根据不同的使用目标来进行搅拌桨的选型。大高径比反应器以及多层桨搅拌使得气体分布器供气对表面曝气吸气速率的影响较小，相对于其带来的好处可以忽略。 发展了一种用水平集法模拟相界面有较大变形的两相不可压缩流体运动时保持质量守恒的体积校正法。在传统的重新初始化程序之后，根据体积(或质量)的亏盈整体平移相界面位置，对分散相的体积(或质量)进行校正，直到体积(或质量)的亏盈率进入预先指定的允许范围内。该体积校正重新初始化程序，只需在原来传统的重新初始化程序基础上略加修改，基本上不增大计算量。 在旋转轴对称假设前提下，使用准三维耦合了体积校正重新初始化程序的水平集方法，首先数值模拟了层流状态下底部旋转圆筒内的涡分裂流动，模拟结果与文献报道的实验和模拟结果吻合较好；通过改变模拟体系物性的方法增大Fr数，同时流动仍维持层流状态，采用数值模拟的方法研究了气液两相界面能够发生较大的变形时底部旋转圆筒内的涡分裂流动，并与相同Re数不同Fr数气液两相界面基本无变形的模拟结果进行了比较；使用耦合了该重新初始化程序的水平集方法，结合大涡模拟亚格子模型，用数值模拟的方法研究了底面旋转圆筒内液面上高速旋转漩涡的形成和性质，为数值模拟表面曝气机理打下了基础。 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2013-09-13 |
| 页码 | 165 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.ipe.ac.cn/handle/122111/1015]  |
| 专题 | 过程工程研究所_研究所（批量导入） |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 李向阳. 多层桨表面曝气反应器构型优化和表面曝气吸气漩涡的数值模拟[D]. 过程工程研究所. 中国科学院过程工程研究所. 2009. |
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