曳力模型和湍流模型对内环流反应器数值模拟的影响

曳力模型和湍流模型对内环流反应器数值模拟的影响

张佳宝;崔丽杰;杨宁

【摘要】研究了曳力模型和湍流模型对气升式内环流反应器流体力学参数的影响,进一步证实了DBS-Local曳力模型在气升式内环流反应器中的适用性.结果表明:曳力模型决定了是否可以模拟出下降管中的气体;而曳力模型和湍流模型共同作用,决定了气含率模拟结果的准确性.Schiller-Naumann、Tomiyama、Grace、Ishii-Zuber这4种曳力模型均无法预测出下降管含气这一现象,而DBS-Local曳力模型能够模拟出下降管中的气体.DBS-Local曳力模型与standardk-εmixture湍流模型组合,对气含率的预测值与实验值较为接近,而与RNGk-εdispersed湍流模型组合,对轴向液速的预测值与实验值更为接近.%The influence of drag models and turbulence models on the hydrodynamic parameters in an air-lift internal-loop reactor is evaluated.Drag models determine the existence of gas in downcomer, and drag models and turbulence models jointly determine the accuracy of the simulation of gas ing uniform size bubbles, the Schiller-Naumann, Tomiyama, Grace and Ishii-Zuber drag models are only suitable for lower superficial gas velocity, and there is no gas in downcomer.The capability of DBS-Local drag model was

pared with the other four drag models, only DBS-Local drag model can predict the existence of gas in downcomer.DBS-Local drag model combining with the standardk-ε mixture turbulence model can well predict gas holdup, and combining with RNGk-ε dispersed turbulence model can better predict liquid velocity.

【期刊名称】《化工学报》

【年(卷),期】2018(069)001

【总页数】8页(P389-395,封3)

【关键词】计算流体力学;内环流反应器;气液两相流;曳力模型;湍流模型;气含率【作者】张佳宝;崔丽杰;杨宁

【作者单位】中国科学院大学化学科学学院,北京 100049;中国科学院过程工程研究所多相复杂系统国家重点实验室,北京 100190;中国科学院大学化学科学学院,北京 100049;中国科学院过程工程研究所多相复杂系统国家重点实验室,北京100190

【正文语种】中文

【中图分类】TQ021.1

自1984年气升式环流反应器生产酵母工艺放大成功后，环流反应器被越来越多地应用到微生物细胞发酵、动植物细胞培养等生物工程领域。同时内环流反应器在以废水处理为代表的环境保护领域、石油炼制等化工领域也得到了广泛的应用。反应器的几何结构和操作条件很大程度上决定了反应器的性能[1-12]。从目前的发展动态来看，内环流反应器的结构优化和内构件加强以及为满足特定目标功能的内环流反应器研究和开发将成为今后的研究重点[13]。

随着计算技术的发展，很多学者[14-17]对内环流反应器进行了CFD模拟的研究，然而多数学者并没有给出下降管气含率这一关键参数的预测结果。张涛[18]系统地研究了曳力模型、升力模型和湍流模型对内环流反应器提升管、下降管液速，以及提升管气含率分布的影响，但没有对下降管气含率进行研究。Simcik等[8]的模拟

给出了内环流反应器下降管的气含率，但预测值远小于实验值。Xu等[19]采用DBS-Local曳力模型[20]，对Simcik等[8]的空气-水体系的内环流反应器进行了

模拟，结果表明该模型极大地提高了下降管气含率预测结果的准确性，但与实验值还有一定差距，该曳力模型还需要进一步的探索。DBS-Local曳力模型是Jiang

等[20-21]在DBS-Global曳力模型[22-26]的基础上改进，将CD/db表示为流体局部结构参数的形式，与CFD耦合得到了DBS-Local曳力模型,该模型已应用到内、外环流反应器以及搅拌槽的CFD模拟中。

虽然文献中已有曳力模型对模拟结果影响的报道[16-18]，但是由于两相湍流模型

方程中也包含曳力的影响，湍流模型与曳力模型的组合还没有得到深入的研究。本文基于Simcik等[8]的实验体系，采用CFD数值模拟的方法，系统地研究了5种

曳力模型（Schiller-Naumann、Tomiyama、Grace、Ishii-Zuber和DBS-Local 曳力模型）和4种湍流模型（standard k-ε mixture、standard k-ε dispersed、RNG k-ε mixture和RNG k-ε dispersed湍流模型）对提升管、下降管气含率和轴向液速的影响，进一步研究了基于能量最小多尺度理论的DBS-Local曳力模型

在气升式内环流反应器中的适用性。

本文采用欧拉-欧拉双流体模型，不考虑气液间的质量传递和热量传递。质量守恒

方程和动量守恒方程如下：

质量守恒方程

动量守恒方程

式中，K表示不同的相，气相和液相；aK表示第K相的体积分数；rK表示第K相的密度；meff,K为流体有效黏度；FD是相间动量交换项。为进行数值求解，meff,K和FD需要给出合适的封闭模型。

k-ε湍流模型具有计算准确，鲁棒性好，计算成本经济等优点，得到了广泛的应用。单相k-ε湍流模型主要包括standard k-ε、RNG k-ε和realizable k-ε湍流模型。