反應釜注液流動仿真的SRP項目探索實踐*

黃 思，歐晨希，郭嘉煒，張祖文

（華南理工大學機械與汽車工程學院，廣州 510640）

0 引言

為培養高素質的創新人才，華南理工大學和其他的高校一樣，設立了學生研究計劃項目（Student Research Program，SRP）[1-3]，讓學生在教師的指導下，開展初步的探索性研究工作，了解和掌握科學研究的基本思路、方法和手段。

本文以分析反應釜充注液體過程中罐內液相、流速分布，以及罐內壁面受力隨時間變化規律為目標。反應釜廣泛應用于石油、化工、醫藥和食品等領域，在化工生產中，在反應釜中進行的不僅僅是單純的化學反應過程，同時還存在著流體流動、物料傳熱、傳質、混合等物理傳遞過程[4-7]。反應釜充注液體過程中，內部流場為復雜的氣液兩相流，液體晃蕩是一種潛在的干擾源，可能是影響反應釜充注過程穩定性的重要因素。當前，關于不同形狀容器的液體晃蕩得到越來越多的關注[8-10]。李松等[11]通過試驗分析和數值仿真，分析了貯藏箱在各種充液比下液體的晃動特性。李凱峰等[12]利用FLUENT 對罐內液體晃動進行數值模擬，得出罐車行駛方向相應的罐體受力結果。Kim 等[13]建立了一套CFD 分析方法來預測球罐內的晃動動力學以及晃動頻率。Duan 等[14]采用CFD 模擬研究不同液體填充比的罐中液相分布及某一填充比下不同時間擋板受力分布。綜上所述，有關反應釜內充注液體過程中罐內液體的流速分布和壁面受力情況及規律的研究尚未看到。因此，本文通過模擬仿真計算和動畫顯示，可以清楚地了解反應釜充注液體的工作原理及內部相分布、流速和壓力等規律，同時也是對過程控制本科專業教學手段的補充與完善。

1 項目實施過程與方法

SRP 項目主要面向大學二、三年級的本科生。項目啟動后，指導教師首先幫助學生理解項目的任務和內容；引導學生查閱有關文獻資料，使學生掌握反應釜充注液體的工作原理，指導學生掌握流體仿真軟件的計算原理和方法；根據學生的基礎和個人志向，對項目進行具體分工，制訂各自的工作目標和內容，整個SRP 項目的內容和階段步驟如表1所示。

表1 項目安排

2 項目實施的主要結果

2.1 流動計算域模型的建立

選取如圖1 所示的某化工廠反應釜作為研究對象，使用SolidWorks 建模得到如圖2 所示的流動計算域，其中x、z為水平面的兩個方向，y為豎直方向。該計算域由罐體、注液口等部分組成，罐體高4 600 mm，內徑3 200 mm，注液管內徑250 mm。

圖1 反應釜結構

圖2 反應釜流動計算域

2.2 計算域的網格劃分

將流體計算域模型導入到網格劃分軟件ICEM 中，對流體計算域進行結構化網格劃分，得到如圖3 所示的結構網格，網格總數為621 345。網格質量如圖4 所示，質量檢查值均在0.7以上，平均值為0.86，表明所劃分的網格質量較好。

圖3 反應釜結構網格

圖4 結構網格質量

2.3 流場仿真計算

模擬仿真計算選取的介質參數如表2 所示。采用多相流的歐拉方法進行計算，在計算軟件中選擇Multi-Fluid VOF 模型，主相為空氣，次相為水，湍流模型選用k-ε模型，水的粒徑設為dL=10-5m，表面張力σ=0.072 N/m，重力g=9.81 m/s2，沿Y軸負方向。

表2 材料屬性

計算的初始條件為氣體充滿反應釜，液體從注液口開始注入。注液口邊界條件按進液速度v0= 5 m/s 給定，出口邊界條件選擇outflow 類型。設置流動計算時間步長Δt=10-2s，總時間te=75 s。

2.4 后處理與動畫制作

經過流場仿真模擬得到計算結果，指導學生對結果進行后處理。圖5 所示為反應釜充注過程中的兩相分布三維結果。其中，藍色代表氣體，紅色代表液體。圖6、圖7所示分別為不同時刻反應釜內液體的體積分數的中心截面圖和俯視圖。由圖可以看出，液體從注液口注入，碰撞到罐壁后沿底部球形壁面向上彈起，液體沖擊罐壁產生反向作用力，在罐內做逆時針的環向運動，此時罐壁和液體沖擊產生作用力較大，液體晃蕩也較為厲害，濺起的液體落下后在球形罐底晃蕩然后逐漸穩定。

圖6 反應釜不同時刻液相的體積分數分布（中心截面）

圖7 反應釜不同時刻液相的體積分數分布（俯視）

圖8 所示為不同時刻反應釜內兩相流的速度矢量分布。計算結果顯示，液體開始注入時，從釜注液入口處開始，速度逐漸增大，在碰撞到壁面前達到較大速度，為7.75 m/s；沿球形壁面向上彈起時速度達到最大，為8.62 m/s，此時反應釜受液體沖擊可能處于失穩狀態，濺起的液體落下后速度逐漸減小至穩定狀態，罐內液體晃蕩現象也逐漸減弱；隨著注液量增多，液位逐漸緩慢且穩定上升，反應釜底部受到注入液體沖擊形成漩渦后，該漩渦隨著液位升高逐漸減小，新注入的液體對反應釜內已注入液體影響減小。

圖8 反應釜橫截面不同時刻速度矢量分布（中心截面）

為了更直觀地展現反應釜充注液體時罐內兩相流的運動規律，學生們在教師的指導下，使用后處理軟件將上述結果串聯合并，制作成能夠直接用于教學的動畫課件。

圖9 所示為反應釜壁面所受流體力隨時間變化曲線圖。如圖9（a）所示，由于液體沿X方向注入，因此在X方向上壁面所受流體力較大。開始充注液體時，X方向壁面受力就達到峰值且波動頻率大，此時反應釜內液體晃蕩，罐體受沖擊可能失穩，最有可能產生安全隱患，峰值大概為2 500 N，逐漸減小后又有小幅度上升，隨后逐漸減小并到達較穩定狀態，在1 250 N上下浮動，反應釜穩定性也達到相對安全的狀態；Z方向上，剛開始充注液體時，壁面受力逐漸增大，達到峰值后逐漸減小也到達穩定狀態，在0 N 上下浮動。如圖9（b）所示，沿豎直方向（Y）上壁面所受流體力剛開始為0，后逐漸向重力方向（-Y）增大，75 s 時壓力達到-180 000 N，充注液體速度一定，反應釜內液體重量增加速度也一定，豎直方向上壁面所受流體力與反應釜內液體總重力變化趨勢一致，呈線性增加趨勢。

由以上仿真結果可知，當反應釜在罐體內徑3 200 mm、注液口內徑250 mm、注液速度為v0=5 m/s 的情況下，在開始充注瞬間水平面方向受力一度達到2 500 N，垂直方向上，隨著充注時間的增加，最大受力能達到180 000 N（t=75 s）。在工程實際應用中，可根據反應釜的形狀、大小和操作工況參數，采用流體仿真軟件模擬計算充注液體過程中反應釜所承受的流體力，對反應釜的材質和壁厚等設計參數進行校核分析，以保證充注過程中反應釜的穩定性和安全性。

3 結束語

本文介紹了“反應釜氣液兩相流的數值仿真及動畫制作”的SRP 項目的實施過程、方法及主要結果，得到了以下結論。

（1）液體從注液口注入，碰撞到罐壁后沿底部球形壁面向上彈起，在罐內做逆時針的環向運動，濺起的液體落下后在球形罐底晃蕩然后逐漸穩定。

（2）液體在碰撞到壁面前達到較大速度，沿球形壁面向上彈起時速度達到最大，此時反應釜受液體沖擊力較大，帶來罐體失穩等安全隱患，速度減小后罐內液體晃蕩現象也減弱。

（3）剛開始充注階段，沿注液方向反應釜壁面水平受力最大，隨后逐漸達到穩定狀態；豎直方向上，由于注液速度一定，壁面所受流體力與反應釜內液體總重力變化趨勢一致，呈線性增加趨勢，隨著充注過程的進行不斷增大。

（4）在工程實際應用中，為確保充注過程的安全進行，在充注前可以先用流體仿真軟件計算得到反應釜所承受的流體力，利用模擬分析結果對反應釜的材質和壁厚等設計參數進行校核。