鼓泡塔內部流場分布特性的實驗研究*

曹喬喬 郝惠娣 王 瑾

(西北大學化工學院)

鼓泡塔在工業領域應用廣泛，如加氫、費托合成、污水處理及煤液化等[1]。迄今為止，大量學者對鼓泡塔的流體特性進行了模擬研究[2～8]。近年來，隨著計算流體力學技術和軟件的迅速發展，鼓泡塔內的流場等詳細信息可以通過 CFD 模擬的方法獲取[9,10]。筆者利用Ansys CFD軟件對鼓泡塔內的氣、液兩相進行混合性能的數值模擬，考察了通氣速度為0.02、0.05、0.08、0.11m/s時鼓泡塔內流場的特性，并對其計算結果進行了分析。

1 幾何模型及網格劃分

筆者研究采用帶有分布器的鼓泡塔(圖1)，塔外徑為300mm，內徑為295mm，高為1 000mm，分布器位于塔的中部，有37個小圓孔，孔徑為20mm，分布器模型如圖2所示。

圖1 鼓泡塔結構模型

圖2 分布器模型

網格劃分[11,12]采用有限體積法，為結構化四面體網格，最小尺寸為0.2mm，最大面尺寸為10mm，最大體尺寸為20mm。網格總節點數為141 716個，網格單元數為776 446個，壁面Inflation網格細化，邊界層定義為5層。

2 初始條件和邊界條件

初始時，流體區域全是水，故設置水的體積分數為1，空氣的體積分數為0，液體湍動形式選擇Medium Intensity and Eddy Viscosity Ratio。液體的壁面設置成無滑移的固體壁面邊界，氣體設置為自由滑移固體壁面邊界，質量和動量選擇Fluid Dependent。邊界的條件參數，氣體入口為速度入口，氣相體積分數為1。

3 模擬結果及討論

3.1鼓泡塔內氣速的計算結果

由圖3可知：入口附近鼓泡塔的底端兩個角處的液體幾乎是不運動的，運動區域呈現U型，為了避免容器內部出現死角，建議在下端設計選型時選用U型或V型。容器中心部分像V字一樣帶動液體，隨著氣體速度Ug的增加，中心部位的V型也就越明顯，距離中心處越遠速度越小，對壁面附近流體的運動而言，速度大不易帶動容器壁面附近流體的流動；對于容器中心而言，速度大時的帶動作用比速度小時的強；對于整個塔器而言，速度大時的帶動作用比較顯著；分布器對不同氣速的流體分布作用范圍相差不是很大，但是分布器對高速流體的阻力明顯比低速流體的大，特別是在中心部位。分布器對于高速流體的分布效果比較好，速度在容器內部分布比較均勻，對于消除或減弱中心趨勢效果比較好。

圖3 不同通氣速度下氣體的速度分布云圖

3.2鼓泡塔內徑向氣含率的計算結果

圖4為Ug=0.05m/s時不同高度下氣含率的分布圖。由圖4a、b可以看出，中心處氣含率最高，從中心到壁面氣含率逐漸降低；隨著高度h的增加，整體氣含率逐漸降低，但是氣體的分布范圍越來越廣；圖4c為h=0.53m(即分布器)處氣含率的分布情況，此時氣體分布量較大，中心處氣體分布較多，距離壁面處氣體分布較少；由圖4d可知h=0.60m(分布器上方)時，氣含率迅速降低，但整體分布均勻，分布器的分布作用顯著；對比圖4d、e可知，隨著高度h的增大，氣體又有向中心處匯聚的趨勢；由圖4f可以看出，氣體在壁面處的分布比較理想，由于出口比較小，當氣體與上端壁面相撞后，氣體改變方向向四周擴散。

圖4 不同高度氣含率的分布

3.3速度矢量圖的結果分析

Ug=0.05m/s時，氣、液表觀速度計算結果如圖5、6所示。由圖5、6可知，在分布器出口處，氣體和液體有返混現象，相比之下，氣體的返混現象比較弱，如圖5所示，在壁面附近處才出現氣體少量逆流現象，并且速度也特別小；如圖6所示，液體在分布器和出口處返混特別嚴重，從中心沿著直徑方向液體的表觀速度逐漸降低，呈開口向下的拋物線狀，直至減小到0，然后又反向逐漸增加。

圖5 分布器上部氣體表觀速度矢量圖

圖6 整體截面液體表觀速度矢量圖

4 結論

4.1當氣體通過分布器以后，氣體呈倒U型上升，經過分布器后氣體的徑向擴散速度明顯增加，比分布器下端氣體的徑向擴散速度要大。設計選型時為了避免死角應選用U型、V型，或者橢圓型和圓型。

4.2氣體在上升過程中氣含率逐漸向四周擴散，當氣體經過分布器后整體分布相對均勻，故分布器的分布作用特別明顯。

4.3在分布器出口處，氣體和液體有返混現象。氣體的返混現象比較弱，在壁面附近處才出現氣體少量逆流現象，并且速度也特別小；液體在分布器和出口處返混特別嚴重，從中心沿著直徑方向液體的表觀速度逐漸降低。

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