計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)在模擬氣升式環(huán)流反應(yīng)器中的研究進(jìn)展

1、第30卷第2期2011年 4月四 川 環(huán) 境SICHUAN ENVIRON M ENTVol 30,N o 2Ap ril 2011綜 述收稿日期:2010 10 26基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(20876117;國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2006BA J 08B10,2008BA J 08B21。作者簡(jiǎn)介:李金鵬(1986-,男,安徽安慶人,同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院環(huán)境工程專業(yè)2009級(jí)在讀碩士研究生,主要從事污水處理反應(yīng)器數(shù)值模擬的研究。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)在模擬氣升式環(huán)流反應(yīng)器中的研究進(jìn)展李金鵬,蘇鴻洋,張亞雷,周雪飛(同濟(jì)大學(xué)長(zhǎng)江水環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200092摘要:計(jì)算流體動(dòng)力

2、學(xué)(CFD 是對(duì)氣升式環(huán)流反應(yīng)器進(jìn)行數(shù)值模擬的重要手段。為此,本文綜述了CFD 模擬概況及氣升環(huán)流反應(yīng)器中流體數(shù)值模擬研究進(jìn)展,總結(jié)了目前CFD 模擬氣升環(huán)流反應(yīng)器存在的問題,并提出了進(jìn)一步的研究方向。關(guān) 鍵 詞:計(jì)算流體動(dòng)力學(xué);模擬;氣升式環(huán)流反應(yīng)器中圖分類號(hào):X 701 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1001 3644(201102 0105 06P rogress of Si m ulati n g A ir Lift Loop R eact or U si n g C o m putati o nal F lui d Dynam ics (CFD LI Jin peng ,SU H ong

3、 yang ,Z HANG Y a le,i Z H OU Xue fei(K ey Laboratory of Yang tze W ater E nviron m ent of M i n istry of Education ,T ongj i Un i ver sit y,Shangha i 200092,Ch i naAbstract :Com putationa l fl u i d dynam ics (CFD is an i m po rtant t oo l to si m ulate the a ir lift l oop reactor .Th is paper rev

4、ie w st he pro cess o f s i m u l a tion usi ng CFD and the resea rch prog ress about t he nu m er i ca l si m u l a ti on o f the fl u i d i n the a ir lift loop reacto r ,and so m e prob l em s i n the CFD si m ulation are su mm arized .In add iti on ,t he f uture research directi ons are propo se

5、d .K eyw ords :Co m puta ti ona l fl u i d dyna m i cs (CFD ;si m ulation ;a i r lift l oop reactor氣升式環(huán)流反應(yīng)器(air lift l o op reactor ,簡(jiǎn)稱ALR,是環(huán)流反應(yīng)器中應(yīng)用最為廣泛的一種,它是以鼓泡塔為基礎(chǔ)在內(nèi)部增設(shè)導(dǎo)流裝置發(fā)展起來的,是一類高效的處理氣-液、氣-液-固多相過程的接觸性反應(yīng)裝置1。其獨(dú)特的幾何特性使其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、易于清洗和維修、能耗低、剪切應(yīng)力低和混合好等諸多優(yōu)點(diǎn),近年來已被廣泛應(yīng)用于石油化工、生物工程、食品工程、環(huán)境工程等領(lǐng)域2。其中,環(huán)境工程

6、領(lǐng)域中像石油生物脫硫3,4、生物發(fā)酵57、廢水處理811、微藻除碳12,13等方面均有應(yīng)用氣升式環(huán)流反應(yīng)器。對(duì)氣升式環(huán)流反應(yīng)器進(jìn)行深入研究,進(jìn)而優(yōu)化其結(jié)構(gòu)參數(shù),提高傳質(zhì)效率和生產(chǎn)效能,已經(jīng)引起了人們的高度重視。國(guó)內(nèi)外有不少學(xué)者14,15針對(duì)氣升式環(huán)流反應(yīng)器進(jìn)行了宏觀實(shí)驗(yàn)研究,但傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法往往受到測(cè)量精度和模型尺寸等因素的限制,很難進(jìn)行微觀的、瞬時(shí)的流場(chǎng)分析。而CFD 與實(shí)驗(yàn)相比,具有信息完整、速度快、費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn),因此它有著巨大的應(yīng)用價(jià)值和研究意義,尤其是針對(duì)還無法進(jìn)行試驗(yàn)的反應(yīng)器研發(fā)有著不可替代的作用。所以,利用CFD 對(duì)氣升式反應(yīng)器內(nèi)部流態(tài)進(jìn)行模擬,獲取不同結(jié)構(gòu)或不同運(yùn)行條件下氣升反應(yīng)

7、器內(nèi)詳細(xì)的流場(chǎng)信息,進(jìn)而優(yōu)化其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)行控制參數(shù),對(duì)新型反應(yīng)器的研發(fā)及提高反應(yīng)器的運(yùn)行效率將具有十分重要的意義16,17。1 氣升式環(huán)流反應(yīng)器的主要技術(shù)參數(shù)氣升式環(huán)流反應(yīng)器的相關(guān)技術(shù)參數(shù)是其設(shè)計(jì)和放大的基礎(chǔ),也是對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬的基礎(chǔ)和依據(jù)。氣升式環(huán)流反應(yīng)器的性能主要通過反應(yīng)器的效率和傳質(zhì)特性等指標(biāo)來評(píng)價(jià)。表征氣升環(huán)流反應(yīng)器混合與傳質(zhì)性能的參數(shù)主要有氣含率及其空間分布、循環(huán)液速、相間傳質(zhì)系數(shù)和液相擴(kuò)散系數(shù)等。影響氣升式環(huán)流反應(yīng)器流動(dòng)與傳質(zhì)行為的操作參數(shù)主要有反應(yīng)器結(jié)構(gòu)、操作氣速、操作壓力、氣液相的物理性質(zhì)等。這些參數(shù)之間相互影響,在吳捷18等的研究基礎(chǔ)上,可以將它們之間的相互關(guān)系用下圖表示

8、。從圖中可以看出,這些參數(shù)之間關(guān)系很復(fù)雜,如果單純依靠實(shí)驗(yàn)對(duì)氣升式環(huán)流反應(yīng)器進(jìn)行研究,工作量和費(fèi)用將較大,因此運(yùn)用相關(guān)軟件(如Fluen t 等進(jìn)行CFD 模擬成為必然。圖 氣升式環(huán)流反應(yīng)器各技術(shù)參數(shù)之間的相互關(guān)系F ig R e lati ons a m ong d ifferent techn i ca lpara m e ters of a ir lift l oop reacto r2 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD 模擬簡(jiǎn)介計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD是近代流體力學(xué)、數(shù)值數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)結(jié)合的產(chǎn)物,是一門具有強(qiáng)大生命力的邊緣科學(xué)。它可以看作是在流動(dòng)基本方程(質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程

9、控制下對(duì)流動(dòng)的數(shù)值模擬,通過這種模擬,可以知道反應(yīng)器中的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)、壓力場(chǎng)等的詳細(xì)分布以及它們隨時(shí)間的變化情況19,從而為反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化及反應(yīng)器的優(yōu)化運(yùn)行提供參考依據(jù)。它的基本思想可以歸結(jié)為:把原來在時(shí)間域及空間域上連續(xù)物理量的場(chǎng),如速度場(chǎng)和壓力場(chǎng),用一系列有限個(gè)離散點(diǎn)上的變量值的集合來代替,通過一定的原則和方式建立起關(guān)于這些離散點(diǎn)上場(chǎng)變量之間關(guān)系的代數(shù)方程組,然后求解代數(shù)方程組獲得場(chǎng)變量的近似值20。目前CFD 數(shù)值解法有差分法、有限元法以及有限體積法3種21。其中,有限差分法是應(yīng)用最早、最經(jīng)典的CFD 方法,也比較成熟,常應(yīng)用于求解雙曲型和拋物型偏微分方程22,23;有限元法

10、是20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的一種數(shù)值計(jì)算方法,最早應(yīng)用于結(jié)構(gòu)力學(xué),后來隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展慢慢應(yīng)用于流體力學(xué)的數(shù)值模擬24,由于其求解速度較有限差分法和有限體積法慢,所以在商用CFD 軟件中應(yīng)用不是特別廣泛,但在結(jié)構(gòu)力學(xué)中仍應(yīng)用十分普遍19;有限體積法的計(jì)算量相對(duì)較小,在20世紀(jì)80年代后得到了廣泛的應(yīng)用,是目前CFD 應(yīng)用最廣泛的一種方法,如Zhang Q ianfe i25等用有限體積法估測(cè)地下水徑流的速度矢量和壓力水頭,M adji d M ohsen i 26等用基于有限體積法的計(jì)算輻射場(chǎng)模型來模擬單相環(huán)形光生物反應(yīng)器的輻照度,N iyazM oha mm ad M ahm ood i 27等

11、還利用有限體積數(shù)值模型來模擬固定化二氧化鈦納米光催化劑對(duì)染料的脫色和礦化作用。目前常見的CFD 處理工具有:(1用于前處理的軟件包括Ga mb it 、I CE M CFD 、G ri d G en 等。其中Ga m bit 是F l u ent 的網(wǎng)格生成前置軟件,主要針對(duì)F l u ent 生成非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,但它輸出的網(wǎng)格很難被其他軟件讀取;I CE M CFD 是一個(gè)功能非常強(qiáng)大的網(wǎng)格生成軟件,可以生成結(jié)構(gòu)、非結(jié)構(gòu)以及笛卡兒網(wǎng)格,且?guī)缀踔С炙辛餍械腃FD 軟件,它不是直接對(duì)幾何體分塊,而是在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上劃分網(wǎng)格之后映射到幾何體上的,因此網(wǎng)格劃分速度很快;Gridgen 用于劃分結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)非常

12、方便,也可以生成非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格(但非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格不是它的長(zhǎng)項(xiàng),生成的網(wǎng)格可以直接輸入到Fl u ent 、CFX 、Star CD 、Phonics ,等十幾種計(jì)算軟件中,非常方便。(2用于計(jì)算分析的軟件包括F l u ent 、Phoenics 、START -CD 和CFX,其中FLUENT 是目前國(guó)內(nèi)外使用最多、最流行的商業(yè)軟件之一。(3用于后處理的軟件包括CE I Ensi g ht 、I B M Open V isu lizati o n Explore 、F ield V ie w 、AVS 、Tec plot 等。這些軟件功能強(qiáng)大,近年來在環(huán)保設(shè)備領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛,尤其是除塵設(shè)備和水處理

13、設(shè)備領(lǐng)域,比如旋風(fēng)除塵器28,29、沉淀池30,31和氧化溝32,33等。3 氣升環(huán)流反應(yīng)器中流體數(shù)值模擬研究概況及進(jìn)展3 1 數(shù)值模擬基本研究模型在氣液兩相流的數(shù)值模擬中有3種基本模型:第一種模型將氣液兩相介質(zhì)看作一種混合流體,稱為單流體模型;第二種模型將氣液兩相看作相互獨(dú)立又相互作用的兩種流體,稱為兩流體模型;第三種模型將氣體或液體看作背景流體,而將另外一相106四川環(huán)境30卷看作離散分布于背景流體中的顆粒或粒子,在研究過程中用歐拉觀點(diǎn)研究背景流體,用拉格朗日觀點(diǎn)追蹤顆粒相的運(yùn)動(dòng),稱為歐拉 拉格朗日模型。相對(duì)于歐拉 拉格朗日模型,又將前面二種模型(即單流體和兩流體模型統(tǒng)稱為歐拉 歐拉模型3

14、4。歐拉 拉格朗日模型和歐拉 歐拉模型均有自己的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍35。氣泡與氣泡之間的相互作用在歐拉 拉格朗日模型中比在歐拉 歐拉模型中更容易處理。但由于要追蹤單個(gè)氣泡的運(yùn)動(dòng),歐拉 拉格朗日模型要求計(jì)算機(jī)必須有很大的記憶存儲(chǔ)空間,所需費(fèi)用高且耗時(shí)。因此,當(dāng)分散相的空隙率相對(duì)較高時(shí),歐拉 歐拉模型相對(duì)于歐拉 拉格朗日模型的優(yōu)勢(shì)就很明顯,這種場(chǎng)合使用歐拉 歐拉模型就更加合適和可行36。目前在模擬氣升式環(huán)流反應(yīng)器中使用較多的是歐拉兩流體模型,即將每一種流體都看作是充滿整個(gè)流場(chǎng)的連續(xù)介質(zhì),針對(duì)兩相分別寫出質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒方程,然后通過相界面間的相互作用(動(dòng)量、能量和質(zhì)量的交換將兩組方程耦合在一起3

15、4。很多文獻(xiàn)3741常將歐拉兩流體模型與粘性模型中的k 湍流模型聯(lián)用(選擇k 模型是因?yàn)闅馍h(huán)流反應(yīng)器中湍流較充分,Re數(shù)較高,進(jìn)而進(jìn)行模擬計(jì)算。雙流體模型的方程可以劃分為3個(gè)部分:第一個(gè)部分是質(zhì)量和動(dòng)量守恒方程;第二部分是涉及相間作用力,包括拖曳力、虛擬質(zhì)量力和側(cè)向力等;第三部分是描述連續(xù)相和分散相湍流42。3 2 CFD模擬氣升式環(huán)流反應(yīng)器的發(fā)展歷程及研究現(xiàn)狀經(jīng)過學(xué)者20多年的研究探索,氣升式環(huán)流反應(yīng)器的數(shù)值模擬經(jīng)歷了從一維到三維的發(fā)展變化,模擬精度和效果也取得了明顯的進(jìn)步。3 2 1 一維模擬氣升式環(huán)流反應(yīng)器的一維模型是假設(shè)反應(yīng)器中的流動(dòng)為一維定態(tài)流動(dòng)的。早期的一維模型比較簡(jiǎn)單,僅僅是基

16、于一維機(jī)械能均衡提出的,如Ch is ti15和V an B enthum43等所做的研究。他們建立模型的出發(fā)點(diǎn)基本相同,都僅僅是從積分的動(dòng)量方程或能量方程出發(fā),對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行分段衡算。并且在建模過程中帶入了經(jīng)驗(yàn)參數(shù)和假設(shè)條件,使得這些模型的適應(yīng)性較差,大都只適用于自已的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在一維模型的基礎(chǔ)上,Dhaouadi44和M uroy a m a45等分別將傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)考慮了進(jìn)去,對(duì)反應(yīng)器內(nèi)的微觀機(jī)理認(rèn)識(shí)也更加深入,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明模型用于指導(dǎo)反應(yīng)器的放大是有效的。國(guó)內(nèi)林文才46等也從基本的一維兩液體模型出發(fā),全面地考慮了氣升式反應(yīng)器中氣體膨脹、氣液兩相間相互作用和滑移等,建立了反應(yīng)器的一維模型,

17、然后采用四階龍格-庫(kù)塔法求解整個(gè)反應(yīng)器的流體力學(xué)方程組,解的結(jié)果包括氣含率、氣體和液體速度等,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本相符,驗(yàn)證了模型的可靠性。從而可以用于預(yù)測(cè)反應(yīng)器中的流動(dòng)參數(shù),研究反應(yīng)器中的流動(dòng)規(guī)律,指導(dǎo)反應(yīng)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)和放大設(shè)計(jì)。他們從基本的流體動(dòng)力學(xué)出發(fā)進(jìn)行研究,減少了條件假設(shè)和經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的帶入,因此相對(duì)于早期的學(xué)者是一個(gè)明顯的進(jìn)步。雖然這些簡(jiǎn)單的模型能夠?yàn)楣I(yè)規(guī)模的氣升式反應(yīng)器的設(shè)計(jì)提供相當(dāng)不錯(cuò)的信息和參考(如氣含率、循環(huán)液速等,但一維模型僅限于特定的流態(tài)而且提供的流場(chǎng)信息不夠詳細(xì)(如不能描述反應(yīng)器局部空間的速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)等。而且它依賴于現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(如摩擦因數(shù)和軸向擴(kuò)散系數(shù)等,而這些數(shù)據(jù)的獲

18、得是比較困難的,且在不同的反應(yīng)器中是不同的,這將影響反應(yīng)器的放大。同樣,模擬得出的關(guān)聯(lián)式也只能針對(duì)具有類似幾何形狀的或特定參數(shù)(如表面流速等的反應(yīng)器有效47。3 2 2 二維模擬隨著氣升式環(huán)流反應(yīng)器的二維模擬的出現(xiàn)和發(fā)展,一維模擬的不足之處在很大程度上得以克服,已經(jīng)能夠?qū)Ψ磻?yīng)器內(nèi)部空間的微觀流場(chǎng)特性進(jìn)行描述。二維CFD模型考慮了流體環(huán)流速度在徑向方向上的梯度。W ang Jinfu42等利用雙流體模型和k 湍流模型對(duì)反應(yīng)器局部水力學(xué)特性進(jìn)行二維模擬,并將相間作用力(包括拖曳力、虛擬質(zhì)量力、斷面升力、湍動(dòng)擴(kuò)散力和壁面潤(rùn)滑力等和湍流相間相互作用考慮了進(jìn)去,其模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明氣含率的徑向分布情況對(duì)

19、于大氣泡是中心峰分布,對(duì)于小氣泡是邊壁峰分布,且側(cè)向力和相間湍流對(duì)于正確預(yù)測(cè)氣含率徑向分布是兩個(gè)至關(guān)重要的因素。袁景淇48等使用Fluent6 3軟件對(duì)不同導(dǎo)流筒直徑值的反應(yīng)器中氣液兩相流動(dòng)的過程進(jìn)行了二維模擬,研究導(dǎo)流筒直徑變化對(duì)氣升式環(huán)流反應(yīng)器中氣含率和循環(huán)液速的影響,并且給出了所涉對(duì)象中導(dǎo)流筒直徑的最優(yōu)取值區(qū)間。沈春榮49等采用歐拉-歐拉兩流體模型對(duì)氣升式環(huán)流反應(yīng)器內(nèi)部氣液兩相流動(dòng)過程進(jìn)行了二維模擬,考察了液相速度和氣含率隨表觀氣速的變化,并對(duì)液相速度和氣含率模1072期 李金鵬等:計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)在模擬氣升式環(huán)流反應(yīng)器中的研究進(jìn)展擬值與兩種經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式的計(jì)算值進(jìn)行了比較,兩者取得了很好的一

20、致,證明了模型的正確性。在此基礎(chǔ)上,使用計(jì)算流體力學(xué)模擬的方法考查了反應(yīng)器內(nèi)的導(dǎo)流筒直徑和導(dǎo)流筒高度對(duì)反應(yīng)器內(nèi)兩相流動(dòng)的影響,并得出液相循環(huán)量和上升段氣含率隨導(dǎo)流筒直徑的增大而增大,液相循環(huán)速度和循環(huán)量均隨導(dǎo)流筒位置的升高而增大,但上升段氣含率會(huì)減小。所獲得的結(jié)果對(duì)氣升式反應(yīng)器的設(shè)計(jì)優(yōu)化具有指導(dǎo)意義。但是,二維模擬只能計(jì)算軸對(duì)稱反應(yīng)器,即只能給出一個(gè)具有代表性的面上的流動(dòng)情況,不能完整地描述整個(gè)反應(yīng)器內(nèi)的流場(chǎng)特性49。然而,實(shí)際生產(chǎn)中的反應(yīng)器很多并不滿足軸對(duì)稱條件,所以三維CFD模擬已成為必然要求42。M udde和Van Den Akker50在低氣體流速、穩(wěn)態(tài)流的條件下對(duì)氣升式反應(yīng)器進(jìn)行了

21、二維和三維模擬,比較發(fā)現(xiàn)三維模擬比二維模擬更貼近實(shí)際。3 2 3 三維模擬隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,PC機(jī)速度和內(nèi)存容量不再成為制約CFD數(shù)值模擬技術(shù)發(fā)展的瓶頸,現(xiàn)已足以給CFD三維模擬提供雄厚的技術(shù)支持。目前不少學(xué)者成功進(jìn)行了這方面的研究。例如, H uang Q ingshan36等在三維圓柱參考坐標(biāo)系下兩流體模型的基礎(chǔ)上,開發(fā)了一套編碼對(duì)氣升環(huán)流反應(yīng)器中的氣液兩相流進(jìn)行CFD模擬。為了在高表面氣體流速的模擬條件下節(jié)省模擬時(shí)間,模擬中采用了穩(wěn)態(tài)模型。并對(duì)出口處的邊界條件做了適當(dāng)改進(jìn)以獲得具有現(xiàn)實(shí)物理意義的模擬方案。此外,為了處理非對(duì)稱的氣液兩相流以及軸線上的流動(dòng),對(duì)軸線上的邊界條件進(jìn)行了三維變

22、換處理。模擬得出兩流體模型中的湍流分散作用對(duì)氣含率的分布有顯著影響并預(yù)測(cè)氣含率徑向分布是邊壁峰分布。且該模型對(duì)上升區(qū)和下降區(qū)的平均氣體滯留時(shí)間和平均液體流速做了預(yù)測(cè),結(jié)果顯示與Van Baten51等的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合,較好地模擬了反應(yīng)器流體力學(xué)特性,因此可以用于指導(dǎo)反應(yīng)器的放大。Jia X i a o qiang11,52,53等用三維瞬態(tài)模型先后模擬了氣-液-固三相氣升環(huán)流反應(yīng)器的局部流體力學(xué)特性、三相氣升環(huán)流反應(yīng)器中固定化苯酚生物降解過程的動(dòng)力學(xué)行為以及氣液兩相氣升環(huán)流反應(yīng)器中甲苯廢氣生物降解過程和質(zhì)量動(dòng)量傳遞過程。他們用MUSI G模型(多尺寸組模型確定氣泡尺寸分布,且對(duì)生化反應(yīng)與組分相間

23、傳質(zhì)的關(guān)系進(jìn)行了定量研究,以確定整個(gè)氣升環(huán)流反應(yīng)器的速度控制步驟。并成功地對(duì)系統(tǒng)的耐沖擊性和局部瞬時(shí)分散變量(包括流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)和組分濃度進(jìn)行了預(yù)測(cè)。此外張秀華54等利用Fluent軟件對(duì)氣升環(huán)流反應(yīng)器進(jìn)行了三維全尺寸的數(shù)值模擬,采用歐拉多相流模型和標(biāo)準(zhǔn)k 模型模擬反應(yīng)器內(nèi)氣液兩相流動(dòng),獲得了反應(yīng)器內(nèi)流場(chǎng)的詳細(xì)分布,并在此基礎(chǔ)上結(jié)合FLOW3D軟件模擬物理流動(dòng)現(xiàn)象,得到了直觀清晰的動(dòng)畫,而傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)很難測(cè)得相關(guān)具體的數(shù)據(jù)。F l u ent和FLOW3D軟件的模擬結(jié)果與文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)值吻合較好,說明了數(shù)值模擬的可靠性。這兩種數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)于反應(yīng)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)及分析反應(yīng)器內(nèi)流動(dòng)有著直觀的指導(dǎo)意義,并使得

24、定量分析和評(píng)價(jià)反應(yīng)器內(nèi)流動(dòng)和混合效果成為可能。4 目前CFD模擬氣升環(huán)流反應(yīng)器存在的問題及今后的研究方向雖然CFD模擬氣升式環(huán)流反應(yīng)器近年來取得了很大進(jìn)步,但是仍存在一些不足之處。(1由于局部的水力參數(shù)隨時(shí)間的波動(dòng)以及總體的液體循環(huán)流動(dòng)都會(huì)影響到反應(yīng)器中的剪切應(yīng)力、混合特性和傳質(zhì)性能,所以局部流動(dòng)特性也會(huì)對(duì)反應(yīng)器的效率產(chǎn)生很大影響。但是,大部分模型只是局限于研究氣含率和循環(huán)液速兩個(gè)整體性技術(shù)參數(shù),而鮮有涉及局部流動(dòng)特性的參數(shù)39,模擬不夠全面。(2目前CFD模擬主要針對(duì)規(guī)則幾何形狀(圓柱形或方形的氣升環(huán)流反應(yīng)器,優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)也只局限于導(dǎo)流筒直徑、導(dǎo)流筒(板高度、導(dǎo)流筒(板位置等參數(shù),對(duì)不規(guī)則幾

25、何形狀反應(yīng)器的模擬還沒有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。此外,對(duì)于新型氣升環(huán)流反應(yīng)器比如氣升式光生物反應(yīng)器的模擬研究報(bào)道還比較少。(3 CFD模擬對(duì)物理模型、經(jīng)驗(yàn)技巧還有一定的依賴,主觀誤差不可避免。鑒于以上問題,今后的研究方向主要是:對(duì)氣升環(huán)流反應(yīng)器的CFD模擬要做到盡量全面,整體性和局部性流動(dòng)特性技術(shù)參數(shù)都不可或缺,二者相輔相成;深入認(rèn)識(shí)反應(yīng)器中流場(chǎng)的微觀機(jī)理和內(nèi)部相間作用力,真實(shí)準(zhǔn)確地反映內(nèi)部流場(chǎng)特性;研究對(duì)非規(guī)則幾何形狀的高效氣升環(huán)流反應(yīng)器以及氣升環(huán)流光生物反應(yīng)器的模擬,解決相關(guān)優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取等問題;進(jìn)一步研究完善計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)相關(guān)理論,得到有通用性的準(zhǔn)確的流體力學(xué)計(jì)算模108 四川環(huán)境30卷型,提

26、高模型的外推性,從而做到對(duì)反應(yīng)器的客觀真實(shí)的模擬,減小主觀因素的造成的誤差。5 結(jié) 語目前,用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法研究氣升式環(huán)流反應(yīng)器內(nèi)的流場(chǎng)已經(jīng)取得了很大進(jìn)展。盡管CFD 技術(shù)本身還存在著一定的局限性,然而由于其在研究流體流動(dòng)方面的巨大優(yōu)勢(shì),可以預(yù)見它結(jié)合實(shí)驗(yàn)觀測(cè)與理論分析,互為補(bǔ)充,必然能發(fā)揮越來越大的作用。隨著CFD技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,對(duì)氣升環(huán)流反應(yīng)器內(nèi)流動(dòng)和微觀混合的機(jī)理認(rèn)識(shí)將越來越深刻,從而引導(dǎo)我們進(jìn)行更加安全和優(yōu)化的設(shè)計(jì),使氣升式環(huán)流反應(yīng)器的研究與應(yīng)用進(jìn)入全新的發(fā)展階段。參考文獻(xiàn):1 趙東勝,劉桂敏,趙艷麗,等 氣升式反應(yīng)器研究進(jìn)展J化工進(jìn)展,2007,26(6:810 8132 NI

27、E Dash,i CU I Y i ngy i ng,Z HANG Q i ang,et al Characteri sti csand appli cati on of airlift loop react orsJ Journal of Ch e m icalIndu stry and Engi n eeri ng,2004,25(6:6 103 Shari ati F P,Bon akdarpour B,M eh rn i a M R H ydrodyna m i csand oxygen tran sfer behav i ou r ofw ater i n dieselm icroe

28、 m uls i ons i na draft tub e ai rli ft b ioreactorJ C he m ical Engi neering and Process i ng,2007,46(4:334 3424 B oltes K,Caro A,Let on P,et al Gas li qu id m ass trans f er i no il w ater e mu lsi ons w i th an airliftb io reactorJ Che m i calEngineeri ng and Processi ng:Process Intens ificati on

29、,2008,47(12:2408 24125 K ilonzo P,M argariti s A,B ergougnou M A irlift d ri ven fi brousbed b i oreact or f or conti nuou s p roduction of gl ucoa m yl ase us i ngi m m ob iliz ed reco mb i nant yeast cellsJ J ournal of b iotechnol ogy,2009,143(1:60 686 K il on z o P,M argari tis A,Bergougnou M Hyd

30、rodyna m i cs andm ass tran sfer characteri sti cs in an i nverse i n ternal l oop airliftd ri ven fi b rou s bed b ioreactorJ Che m icalE ngi neeri ng J ou rna,l2010,157(1:146 1607 K il onzo P,M argariti s A,B ergougnouM R epeated b atch production of gl u coa m ylase u si ng reco m b i nan t Sacch

31、aro m yces cerevisiaei m m ob iliz ed i n a fi b rous bed b i oreactorJ J ou rnal of Indus tri alM icrob i ol ogy and B i otechno l ogy,2010,37(8:773 783 8 JI A X i aoq i ang,W EN Ji anp i ng,JI ANG Yan,et al M odeli ng ofbatch ph enol b i odegradati on i n i nternal l oop ai rli ft bioreactorw it h

32、gas recircu l ati on by Candida tropicalisJ Ch e m ical eng i neeri ngsci ence,2006,61(11:3463 34759 Saravanan P,Paksh iraj an K,Saha P B i odegradation of phenoland m cresol i n a batch and fed batch operated i n ternal l oop ai rlift b i oreactor by i nd i genous m ixed m icrob i al cu lt u re p r

33、edo m i nan tly Ps eudo m on as s pJ B i ores ource techn ol ogy,2008,99(18:8553 855810 Z HAO Zhouyang,JI ANG Guoq i ang,J I ANG Shengyang,et alIn tegrat ed anaerob ic/aerob ic b iodegrad ati on i n an i n ternal a i rliftl oop react or f or phenolw aste w ater treat m entJ K orean journalof ch e m

34、ical eng i neeri ng,2009,26(6:1662 166711 JI A X iaoq i ang,W EN J i anp i ng,WANG Xue,et a l CFDM odeli ng of I mm ob ili zed Phenol B i odegradati on i n three phas e A i rliftLoop React orJ Industrial and E ngi neeri ng Che m i stry Research,2009,48(9:4514 452912 Vunjak Novakov i c G,K i m Y,WU X

35、 i aox,i et al A ir lift b ioreactors f or al ga lgro w t h on fl u e gas:M athe m ati calm odeli ng and p ilot p l an t st ud iesJ Ind Eng Ch e m Res,2005,44(16:6154 616313 YU G ang,LIYu anguang,SHEN Guo m i n,et al A novelm et h odusing CFD t o op ti m iz e the i nn er stru cture para m et ers of

36、flat photobioreactorsJ J ou rnal of App li ed Phycology,2009,21(6:719 72714 李寶璋,許曉增 外環(huán)流反應(yīng)器中氣含率的研究J 化學(xué)反應(yīng)工程與工藝,1989,5(2:53 5915 Ch istiM Y,H al ard B,M oo Young M Liqu i d circu lati on i n airlift reactorsJ C he m i cal eng i neeri ng science,1988,43(3:451 45716 K l e i n J,G odo ,Dolgo O,et al E ff

37、ect of a gas li qu i d s ep aratoron t he hydrodyna m i cs and ci rculation fl o w regi m es i n i nternall oop ai rli ft react orsJ Che m i cal engi neeri ng sci ence,1988,43(3:451 45717 Jaj uee B,M argariti s A,Kara m anev D,et al M eas u re m ents andCFD s i m u l ati on s of gas hol dup and li q

38、u i d velocit y i n novel a i rliftm e m b rane contactorJ A I ChE Journa,l2006,52(12:4079408918 吳 捷,胡維兵 大型氣升環(huán)流反應(yīng)器加置內(nèi)件時(shí)氧傳遞規(guī)律的研究J 化工學(xué)報(bào),1992,43(1:40 4619 王福軍 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析:CFD軟件原理與應(yīng)用M北京:清華大學(xué)出版社,2004 13,3720 周雪漪,計(jì)算水力學(xué)M 北京:清華大學(xué)出版社,19957921 黃永春,唐 軍,謝清若,等 計(jì)算流體力學(xué)在化學(xué)工程中的應(yīng)用J 現(xiàn)代化工,2007,27(5:65 6822 Ang S J,Y eo K

39、 S,C he w C S,et al A si ngu lar val ue deco m positi on(SVD based gen era li zed fi n ite difference(GFDm et h odfor cl ose i nteracti on m ovi ng boundary fl o w prob le m sJ Internati onal J ournal f or N u m eri calM ethod s i n Engi neering,2008,76(12:1892 192923 Vei ga LB Da,M an zi n i G An a

40、 pos t eri ori error esti m at or f or t h em i m etic fi n it e d ifference approx i m ati on of elli pti c prob le m sJIn t J Nu m er M et h Engng,2008,76(11:1696 1723 24 Dav i es A,Davies A J F i n ite E l e m en tM et hodM Oxf ord:Oxford Un ivers i ty Press,1985 8725 ZHANG Q i anfe,i LAN Shouq,i

41、 W ANG Y anm i ng,et al A ne wnum eri calm ethod for groundw ater fi o w and sol u te transport u si ng1092期 李金鵬等:計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)在模擬氣升式環(huán)流反應(yīng)器中的研究進(jìn)展110 velocity f ield* J 356 364 26 D u ran J E, T agh ipou r F, M ad jid M oh sen i 四 川 環(huán) 境 Journ al of H ydrodynam ics 2008 20 ( 3 : , , 40 Irrad iance m od eling

42、 2007 46 ( 22 : 7317 7327 , 30卷 HUA NG Q ingshan, YAN G Chao, YU G engzh,i et a l Sen sit ivity Study onM odeling an InternalA irlift Loop R eactorU sing a S teady 2D Tw o F lu idM od el J Ch em ical Eng ineering and T echnology, in annu lar photoreactors u sing the f in ite volum e m ethod J Jou rn

43、al of Ph otochem istry and Photob iology A: Ch em istry, 2010, 215( 1 : 81 89 27 N iyaz M ohamm ad M am ood,i A ram i M N um erical fin ite volum e 41 2008 31 ( 12 : 1790 1798 , H ekm at A, M oraveji M K, Am oogh in A E CFD S i u lation of m G as L iqu id Flow B ehav iou r in an A irlift R eactor D

44、eter ination ; m of the O p ti um D istance of the D raft Tube J m S i u lation M od m m odel ing of dye decolorizat ion using i m ob ilized titan ia nanopho m tocatalysis J 189 193 28 E lsayed K, Lacor C O pti izat ion of the cyclone separator geom m etry for m in i um pressu re drop us ing m athem

45、 atical m odels and m CFD si u lations J m ( 22 : 6048 6058 29 Bhasker C Flow s i u lat ion in industrial cyclon e separator J m A dvances in Engin eering Soft are, 2010 41 ( 2 : 220 228 w , 30 S tam ou A I Th eodorid is G , X anthopou los K D es ign of S econd , ary Sett ling T anks U s ing a CFD M

46、 odel J Jou rnal of Env iron 44 Ch e ical engin eering science, 2010, 65 m 43 C hem ical Eng ineering Journ a,l 2009, 146 ( 2 : 42 elling Practice and Theory, 2010 18 ( 7 : 927 945 , W ANG J infu WA NG T iefeng JI Y ong Experi ental study and , N m CFD si u lation of hydrodynam ic behav iours in an

47、ex ternal loop m airlift s lurry reactor J The Canad ian Jou rnal of Ch em ical En gineering, 2004 82 ( 6 : 1183 1190 , V an Ben thum W, V an der Lans R, V an Loosdrecht et al Bub , ble recircu lat ion reg i es in an in ternal loop airlift reactor J m Ch em ical eng ineering science 1999 54 ( 18 : 3

48、995 4006 , , D haou ad iH, Poncin S, H ornu t J M, et al M ass tran sfer in an exter al loop a irlift reactor n : exp eri en ts and m odel ing J m m en tal Engineering, 2009, 135( 7 : 551 561 31 LI Baicang, MA Jun, LU O L in, et al Tw o D i ens ional LDV U m M easurem ent M odeling, and O p ti al D

49、esign of R ectangu lar Pri , m m ary Settling Tank s J 2010 136( 5 : 501 507 , 32 XU N ong, FAN Long, PA NG H ongtao et al Feasib ility s tudy , and CFD aided des ign for a new type oxidat ion d itch based on a irlift circu lat ion J The C anad ian Jou rnal of Chem ical Engi 47 46 Jou r al of E nvir

50、onm ental Eng ineering, n 45 Ch em ical eng ineering science 1997 52( 21 22 : 3909 3917 , , M uroyam a K, N orieda T, M orioka A, et al H ydrodynam ics and com puter s i u lat ion of an ozon e ox idation reactor for treating m drink ing w ater J ( 21 : 5285 5292 林文才, 毛在 砂 ( 289 O ey R S M udde R F,

51、V an D en A kker K N um erical si u lations , m of an oscil lating in ternal loop airlift reactor J 袁景淇, 張 喆, 朱欣杰, 等 Canad ian Journal 氣 升式環(huán) 流反 應(yīng)器 中的 流體動(dòng) 力學(xué) 研究 化工學(xué)報(bào), 1995, 46 ( 3 : 282 : 一維兩流體模型 J Chem ical eng ineering scien ce 1999, 54 , neering, 2010 88( 5 : 728 741 , 33 Y ang Y, W u Y, Y ang X,

52、et al F low f ield pred ict ion in fu ll scale Carrousel oxidat ion d itch by u sing com pu tat ion al flu id dy nam ics J W ater science and technology: a journa l of th e I ter n nat ional A ssociat ion onW ater Pollut ion R esearch, 2010, 62( 2 : 256 265 34 郭烈錦 兩相與多相流動(dòng)力學(xué) M 西安: 西安交通 大學(xué)出 49 版社, 2002 58 35 O ey R S, M udde R F, Portela L M, et al S i u lat ion of a s lurry m a irlift us ing a tw o flu id m odel J en ce, 2001, 56( 2 : 673 681 36 H uang Q ingshan YANG Ch ao, YU G engzh , et al 3 D si u la , i m tions of an in ternal airl if t loop reacto