曳力模型和湍流模型对内环流反应器数值模拟的影响
湍流模型及其在物理学中的应用
湍流模型及其在物理学中的应用湍流是一个普遍存在于自然界和人类社会中的现象，具有复杂性、不可预知性和不稳定性等特点。
湍流现象包括气体、液体、等离子体、大气等许多领域，因此它的研究具有重要的理论和实际意义。
为了研究湍流现象，科学家们发展了许多不同的模型和方法，其中湍流模型是重要的研究工具之一。
本文将介绍湍流模型和它在物理学中的应用。
一、湍流模型概述湍流模型是对湍流现象进行数学描述的一种方法，它认为湍流现象是由一系列不同尺度的涡旋体产生的，涡旋体之间存在相互作用和相互影响。
目前常用的湍流模型包括：1. 线性模型：线性模型假设涡旋体是线性的、稳定的。
这种模型有简单、精确、易于解析等特点，但它并不能精确地描述实际湍流现象。
2. 非线性模型：非线性模型是近年来湍流研究的主要方向。
它认为涡旋体是非线性的、不稳定的，并且涡旋体之间存在复杂的相互作用和相互影响。
这种模型适用于对高度非线性湍流现象的研究，但通常需要进行复杂的计算。
3. 统计模型：统计模型是一种基于大量实验数据和经验规律的模型。
它主要通过统计分析来确定湍流现象的统计特性。
目前最常用的统计模型是雷诺平均 Navier-Stokes 方程（RANS），该方程将湍流速度分解为平均流和涡旋脉动流两部分。
这种模型适用于时间尺度大于湍流时间尺度的湍流现象。
通过使用不同的模型可以更好地描述和了解湍流现象，从而为湍流研究提供了重要的工具和技术。
二、湍流模型在物理学中的应用湍流研究既具有理论意义，又具有实际应用价值。
下面介绍湍流模型在物理学中的一些应用。
1. 大气湍流预测大气湍流预测是天气预报、气候变化预测等领域的重要研究方向之一。
湍流对气象学有着深远的影响，因此了解和预测大气湍流现象对准确预测天气和气候变化至关重要。
目前常用的预测方法包括数值模拟、机器学习等。
其中，湍流模型是数值模拟的重要组成部分，通过使用湍流模型可以更好地模拟大气湍流，并提高预测精度。
2. 涡旋动力学研究涡旋动力学是湍流研究的一个重要分支领域，它研究涡旋体之间的相互影响和相互作用，以及这些影响和作用所产生的复杂运动规律。
反应器内流动场的数值模拟研究
反应器内流动场的数值模拟研究在化学工程、生物工程等众多领域中，反应器是实现物质转化和能量传递的关键设备。
而反应器内的流动场特性对于反应过程的效率、产物的质量和产量等方面都有着至关重要的影响。
因此，对反应器内流动场进行深入研究具有重要的理论意义和实际应用价值。
数值模拟作为一种有效的研究手段，能够在不进行实际实验的情况下，预测反应器内流动场的分布情况，为反应器的设计、优化和操作提供重要的参考依据。
通过建立合理的数学模型和采用适当的数值计算方法，可以模拟出反应器内流体的速度、压力、温度等物理量的分布，从而揭示流动场的内在规律。
在进行反应器内流动场的数值模拟时，首先需要对反应器的几何结构进行精确的描述。
这包括反应器的形状、尺寸、进出口位置等信息。
同时，还需要确定流体的物理性质，如密度、粘度等。
这些参数的准确性直接影响到数值模拟结果的可靠性。
数学模型的建立是数值模拟的核心环节之一。
常见的数学模型包括连续性方程、动量方程和能量方程等。
这些方程描述了流体的质量守恒、动量守恒和能量守恒原理。
为了更好地模拟实际情况，还需要考虑流体的湍流特性、化学反应等因素。
在湍流模拟方面，常用的模型有 kepsilon 模型、雷诺应力模型等。
对于涉及化学反应的情况，则需要引入相应的反应动力学方程。
数值计算方法的选择也是至关重要的。
有限差分法、有限元法和有限体积法是常用的数值计算方法。
有限差分法简单直观，但对于复杂几何形状的适应性较差；有限元法在处理复杂几何形状和边界条件方面具有优势，但计算量较大；有限体积法在守恒性方面表现出色，适用于大多数流体流动问题。
在实际应用中，需要根据具体问题的特点选择合适的数值计算方法。
在完成数值模拟计算后，需要对结果进行详细的分析和评估。
通过可视化技术，可以直观地展示反应器内流动场的分布情况，如速度矢量图、压力云图等。
同时，还可以提取关键位置的物理量数据，进行定量分析。
例如，分析进出口的压力差、速度分布的均匀性等。
化学反应器内部流场模型研究与优化
化学反应器内部流场模型研究与优化化学反应器是广泛应用于化学工艺和制造业中的重要设备。
在化学反应器内部，流体的流动对于反应的速率和产物的质量和产率有着重要影响。
因此，研究和优化化学反应器内部的流场模型对于提高反应效率和优化生产流程具有重要意义。
在研究和优化化学反应器内部流场时，我们首先需要建立一个合适的数学模型来描述流体的流动行为。
通常采用的数学模型有欧拉模型和拉格朗日模型两种。
欧拉模型是以固定的空间坐标来描述流体的运动，其中流体的质点坐标随时间变化，但空间坐标是固定的。
欧拉模型适用于较大尺度范围内的流动研究，并能提供整体的流场分布情况。
然而，欧拉模型无法准确地描述小尺度波动，因此不适用于细致的流态研究。
拉格朗日模型是以流体质点的位置和速度随时间变化来描述流体的运动，其中空间坐标和时间都是变动的。
拉格朗日模型适用于细致的流态研究，并能提供流体质点的详细轨迹和局部流场信息。
然而，拉格朗日模型的计算量较大，对于大规模反应器的流动研究不太实用。
根据具体的反应器类型和研究目的，可以选择合适的数学模型来描述系统的流动行为。
了解化学反应器内部的流场模型对于优化反应条件和提高反应效率是至关重要的。
通过建立数学模型，可以预测反应器内部的流动特性并优化反应条件。
在优化化学反应器内部流场时，以下几个方面需要考虑：首先，需要考虑流体的流动方式。
在化学反应器中，流体可以以不同的方式流动，如湍流、层流和混合流动等。
不同的流动方式对于反应速率和混合程度产生不同的影响。
其次，需要考虑反应器内部的结构和气液两相流动行为。
反应器内部的结构对于流体的流动有着重要影响，例如反应器的进出口位置、内部构件的安排等。
同时，如果反应涉及气液两相流动，需要考虑气泡的形成和传输对于反应速率和混合程度的影响。
此外，反应器内部的温度、压力和浓度等参数也需要考虑。
这些参数对于化学反应的速率和选择性具有重要影响，应在优化流场时进行合理的控制。
最后，优化化学反应器内部流场时，可以利用计算流体力学（CFD）等数值模拟方法进行仿真计算。
fluent湍流模型对结果的影响
一、概述湍流模型是流体力学中一个重要的研究对象，它描述了在流体运动中湍流对流动特性的影响。
湍流模型在工程领域的应用十分广泛，对于预测流动的结果具有重要意义。
本文将主要讨论湍流模型对流动结果的影响，以期为相关研究和工程实践提供一定的参考。
二、湍流模型的基本原理湍流是流体力学中一种复杂而难以预测的现象，它表现为流体在流动过程中产生的不规则变化和涡旋运动。
湍流模型的基本原理是通过对湍流运动进行建模和假设，从而简化流体运动的描述，使其能够被数学模型所描述和预测。
湍流模型一般包括雷诺平均湍流模型、拉格朗日湍流模型、欧拉湍流模型等不同类型。
三、湍流模型对结果的影响1. 增加模拟的准确性湍流模型的选择直接影响着流动结果的准确性。
合适的湍流模型可以更准确地描述流动的湍流特性，从而提高数值模拟的准确性。
相比较而言，湍流模型在描述层流流动时，模拟结果将受到更大的影响。
2. 提高计算的稳定性一些湍流模型在计算过程中具有更好的数值稳定性，能够保证数值模拟的收敛性和精确性。
通过合理选择湍流模型，可以有效提高计算的稳定性，减少计算中的数值振荡和发散现象，保证计算结果的可靠性。
3. 影响计算的耗时不同的湍流模型对计算的耗时也有不同的影响。
一些湍流模型对计算的精度和收敛性要求较高，因此需要更长的计算时间。
合理选择湍流模型能够在保证计算结果准确性的减少计算的耗时，提高计算效率。
4. 对后续分析的影响流动结果的准确性和可靠性，直接影响着后续的工程分析和设计。
合适的湍流模型能够提供更准确的流动结果，为后续的工程分析和设计提供可靠的基础。
而不合理的湍流模型选择可能会导致计算结果的不准确，从而影响后续分析的结果。
四、选择合适的湍流模型1. 考虑计算的要求在选择湍流模型时，需要充分考虑计算的要求，包括对计算结果准确性和稳定性的要求，以及对计算耗时的限制等因素。
根据具体的计算要求，选择合适的湍流模型，以满足工程实践的需要。
2. 结合实验数据验证在选择湍流模型时，需要结合实验数据对模型进行验证。
双流体模型中曳力及恢复系数对气固流动的影响
2006 年 4 月Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities Apr. 2006文章编号：10013-9015(2006)02-0164-05双流体模型中曳力及恢复系数对气固流动的影响王嘉骏, 顾雪萍, 杨富军, 冯连芳(浙江大学化学工程与生物工程学系化学工程联合国家重点实验室聚合反应工程分室, 浙江杭州 310027)摘要：应用双流体模型CFD模拟的方法，从恢复系数和曳力两方面，研究了气固密相流化床中颗粒之间和气固相之间的相互作用对床内非均匀流动结构形成与变化的影响。
计算结果表明颗粒间非弹性碰撞和气固间曳力的增大均使气固两相流动的非均匀性增大。
通过比较二者对非均匀流动结构的影响，发现气固间曳力是形成非均匀流动结构的决定因素。
从碰撞耗散、颗粒动能和颗粒势能的角度分析了二者的作用机理，发现恢复系数和曳力对流动结构的作用主要区别在于对颗粒团聚和床层膨胀的影响程度不同。
关键词：气固流化床；双流体模型；非均匀流动结构；恢复系数；曳力中图分类号：TQ021.1；TQ051.3 文献标识码：AEffects of Restitution Coefficient and Drag Force on Gas-solid Flow Behavior:A Two-fluid Model SimulationWANG Jia-jun, GU Xue-ping, YANG Fu-jun, FENG Lian-fang(State Key Laboratory of Chemical Engineering (Polymer Reaction Engineering Division), Department of Chemical and Biochemical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)Abstract: In the dense gas-fluidized beds, the heterogeneous flow structure of the gas-particle flow affects the gas-solid contact and transport process in the bed seriously. In order to explore the influence of the interactions between particles and between gas and particles on the formation of heterogeneous flow structure, a computational study was carried out by using a two-fluid model based on the particle kinetic theory. The results show that the stronger the particle-particle collisional dissipation and gas-solid drag force, the more heterogeneous the flow structure. It also shows that though the collisional dissipation dramatically intensifies the formation of heterogeneous flow structure, the gas-solid drag force is the fundamental factor which triggers the pattern formation. Based on the energy budget analysis of collisional dissipation, particle kinetic energy and particle potential energy, it shows that the main different between the effect of restitution coefficient and drag force on the heterogeneous flow structure is that the former effects the particle agglomeration chiefly and the later effects the bed height mainly.Key words: gas-fluidized bed; two-fluid model; heterogeneous flow structure; restitution coefficient;drag force1 前言气固流态化技术在很多工业过程中得到广泛应用[1~2]。
四种湍流模型介绍
由于航发燃烧室中的流动特性极其复杂，要想提高数值计算的预测能力，必须要慎重选择湍流模型。
用四种不同的湍流模型对带双径向旋流杯的下游流场进行数值模拟，将计算结果与实验结果作对比，比较各湍流模型的原理和物理基础，优劣，并分析流场速度分布和回流区特性。
涉及的湍流模型：标准k-ε湍流模型（SKE)1标准k-ε湍流模型有较高的稳定性，经济性和计算精度，应用广泛，适合高雷诺数湍流，但不适合旋流等各向异性较强的流动。
2简单的湍流模型是两个方程的模型，需要解两个变量，即速度和长度。
在fluent中，标准k-ε湍流模型自从被Launder and Spalding 提出之后，就变成流场计算中的主要工具。
其在工业上被普遍应用，其计算收敛性和准确性都非常符合工程计算的要求。
3但其也有某些限制，如ε方程包含不能在壁面计算的项，因此必须使用壁面函数。
另外，其预测强分离流，包含大曲率的流动和强压力梯度流动的结果较弱。
它是个半经验的公式，是从实验现象中总结出来的。
动能输运方程是通过精确的方程推导得到，耗散率方程是通过物理推理，数学上模拟相似原型方程得到的。
应用范围：该模型假设流动为完全湍流，分子粘性的影响可以忽略，此标准κ-ε模型只适合完全湍流的流动过程模拟。
可实现的k-ε模型是才出现的，比起标准k-ε模型来有两个主要的不同点：·可实现的k-ε模型为湍流粘性增加了一个公式。
·为耗散率增加了新的传输方程，这个方程来源于一个为层流速度波动而作的精确方程。
术语“realizable”，意味着模型要确保在雷诺压力中要有数学约束，湍流的连续性。
应用范围：可实现的k-ε模型直接的好处是对于平板和圆柱射流的发散比率的更精确的预测。
而且它对于旋转流动、强逆压梯度的边界层流动、流动分离和二次流有很好的表现。
可实现的k-ε模型和RNG k-ε模型都显现出比标准k-ε模型在强流线弯曲、漩涡和旋转有更好的表现。
由于带旋流修正的k-ε模型是新出现的模型，所以还没有确凿的证据表明它比RNG k-ε模型有更好的表现。
不同湍流模型对射流泵内部流场模拟的影响
很大． 对 于 流场 近壁 区域 的模 拟 需 要合 适 的壁 面处
理 方法 才 能准 确反 映 壁 面 的存 在 对 流场 的影 响 ． 现
㈩
（ ２ ）
有 的湍流 模 型和壁 面处 理方 法较 多 ， 其中Ｓ ｔ ａ ｎ ｔ ｄ ａ ｒ ｄ ，
Ｒ ｅ ａ ｌ ｉ ｚ ａ ｂ ｌ ｅ 和 Ｒ Ｎ Ｇ ｋ一占（ Ｓ Ｋ Ｅ， Ｒ Ｋ Ｅ和 Ｒ Ｎ Ｇ） ３种 湍 流模 型与 “ 标 准壁 面 函数 ” （ Ｓ ＷＦ ） 、 “ 增 强壁 面处 理 ” （ Ｅ ｗＴ ） ２种 壁 面处理 方法 常被 用 于射 流泵 内部 流场 的模 拟 ． 虽然 目前 已有 部分 研究 对采 用上 述 湍 流模 型和 壁面 处 理 方 法 得 到 的 模 拟 结 果 进 行 了 试 验 验
Ｓ Ｓ Ｔ ｋ一 模型（ Ｓ Ｓ Ｔ） 和 雷诺 应 力 模 型 （ Ｒ Ｓ Ｍ） ， 结 合 “ 标 准壁 面 函 数 ” 和“ 增强壁面处理” ２种 方 法 进 行
模拟 ， 通过 和试 验 数 据对 比确 定 模 拟 结 果 较 为 准 确 的组 合 ．
个 部分 组成 ， 如图 １ 所示． 高 速工 作流 体从 喷嘴 冲入 吸入 室 然后 卷 吸被 吸 流 体 ， ２股 流 体 在 喉管 里 面 进 行 动量 、 能量和质量交换 ， 之 后 混 合 流体 通 过 扩 散 管， 动 能转 化 为 压 能 并 最 终 被 排 出． 射 流 泵 性 能 参
ｈ ａ ｓ ａ ｇ ｒ ｅ ａ ｔ ｅ ｒ ｉ ｎ ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｃ ｅ ｔ ｈ ａ ｎ
ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｃ ａ ｌ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ；ａ ｎｄ ｔ ｈ ｅ ｍａ ｘ ｉ ｍｕｍ ｔ ｕ ｒ ｂ ｕ ｌ ｅ ｎ ｃ ｅ ｅ ｎ ｅ ｒ ｇ ｙ ｄ ｅ ｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｅ ｓ ａ ｓ
流化床中曳力模型的评价 -回复
流化床中曳力模型的评价-回复【流化床中曳力模型的评价】引言：流化床是一种基于固态颗粒床的传热传质现象，具有高传热效率、低压降、均匀剪切速度分布等优点，在化工、石油、能源等领域得到了广泛的应用。
而在流化床内的颗粒颗粒之间存在曳力作用，对流化床的物理过程有着重要影响。
本文将对流化床中曳力模型进行评价，以展示其优点和不足之处。
一、曳力模型的分类与基本原理：1. 静态曳力模型：静态曳力模型主要是受力分析和实验数据拟合的基础上得出的，其基本原理是认为颗粒间的曳力是由于气体的湍流流动引起的。
常用的静态曳力模型有Richardson-Zaki模型和Avidan-Gidaspow模型。
2. 动态曳力模型：动态曳力模型考虑了颗粒之间的多孔介质力学、颗粒流动的非线性特性和尺寸分布对颗粒曳力的影响。
常用的动态曳力模型有Gidaspow模型、Syamlal-O'Brien模型等。
二、曳力模型的评价：1. 模型适用性评价：曳力模型在不同尺寸、形状、密度和粒度分布的颗粒床中表现出不同的适用性。
静态曳力模型更适用于颗粒床粒度分布较窄、粒径较小、密度较轻的情况；动态曳力模型在考虑了颗粒流动特性和尺寸分布的情况下，能够更准确地描述颗粒床的曳力特性。
2. 模型预测精度评价：曳力模型的预测精度是评价其准确性的指标之一。
实际应用中，应根据床层对颗粒的粒度分布和流动特性，选择合适的曳力模型，以提高模型的预测精度。
同时，曳力模型的参数拟合也会影响预测精度，通过实验数据的准确性和合理性来评价模型的拟合精度。
3. 模型计算复杂性评价：曳力模型的计算复杂性直接影响其在工程实际中的可行性。
静态曳力模型计算简单，适用于快速判断颗粒床流化状态，但在描述颗粒流动和流化床细节方面的能力有限。
而动态曳力模型能够更准确地刻画颗粒床的动态变化过程，但其计算复杂性较高，对计算资源和时间的消耗较大。
4. 模型改进和发展：当前，曳力模型的研究主要集中在改进模型的预测精度和模型的计算复杂度上。
流体的湍流模型和湍流模拟
流体的湍流模型和湍流模拟流体力学是研究流体的运动规律和性质的学科，其中湍流模型和湍流模拟是其中非常重要的研究方向。
湍流是流体力学中一种复杂而普遍存在的现象，它具有不规则、无序和随机性等特点。
湍流模型和湍流模拟的发展，对于理解和预测真实世界中的湍流现象，以及涉及湍流的工程设计和应用具有重要意义。
一、湍流模型湍流模型是描述湍流现象的数学模型，在流体力学中起着扮演着非常重要的作用。
根据流体力学理论，湍流是由于流体中微小尺度的速度涡旋突然出现和消失所导致的现象。
由于湍流涡旋的尺度范围很广，从而难以直接模拟和计算。
因此，使用湍流模型来近似描述湍流现象，成为了一种常用的方法。
常见的湍流模型包括雷诺平均湍流模型（Reynolds-averaged Navier-Stokes equations, RANS）和大涡模拟（large eddy simulation, LES）等。
雷诺平均湍流模型是基于平均流场的统计性质，通过求解雷诺平均速度和湍流应力来评估湍流效应。
而大涡模拟是将湍流现象分解为不同尺度的涡旋，并通过直接模拟大涡旋来研究湍流运动。
二、湍流模拟湍流模拟是利用计算机来模拟湍流现象的方法，通常基于数值方法对流体力学方程进行求解。
湍流模拟分为直接数值模拟（direct numerical simulation, DNS）、雷诺平均湍流模拟和大涡模拟等。
直接数值模拟是将流场划分为网格，并通过离散化流体力学方程和湍流模型来求解湍流流场的详细信息。
由于该方法需要计算微小尺度的细节，计算量非常大，限制了其在实际工程中的应用。
因此，直接数值模拟主要用于湍流现象的基础研究和理论验证。
相比之下，雷诺平均湍流模拟和大涡模拟能够更有效地模拟湍流现象。
雷诺平均湍流模拟通过对湍流参数进行求解，来描述平均的湍流效应。
而大涡模拟则将湍流现象分为大涡旋和小涡旋，通过模拟大涡旋来捕获湍流流场的主要特征。
三、湍流模型与湍流模拟的应用湍流模型和湍流模拟在工程设计和应用中有着广泛的应用。
气固湍动流化床结构曳力模型的建立及其cfd模拟
气固湍动流化床结构曳力模型的建立及其cfd模拟湍动流化床反应器因其气固接触充分、热质传递效率高、处理量大等优点，已广泛应用于化学和石油工业等诸多领域。
目前，湍动流化床的研究多集中在流动行为方面，传质行为的研究相对较少，传质行为的计算流体力学(putational fluid dynamics, cfd)模拟更是鲜有报道。
针对湍动流化床稀密两相均为半连续相的特性，本论文将其气固流动结构分为拟离散的气穴相和拟离散的聚团相，并使用cc，cd，csc，csd，cf和csf六个浓度参数描述湍动流化床的传质过程，从而根据质量守恒等原理建立基于结构的气固传质模型，最后通过cfd模拟验证气固传质模型的可靠性，并对湍动流化床的气固传质行为进行分析研究。
提出将湍动流化床的流动结构分为拟均匀的稀密两相，根据两相间质量守恒建立基于湍动流化床非均匀结构的气固传质模型的新思路。
首先，通过推导获得每一相的传质速率方程，将各相传质速率进行加和即可得总体传质速率，再结合平均传质速率定义，即可获得基于结构的湍动流化床传质系数的表达式，用于描述非均匀结构对湍动流化床气固传质的影响；其次，结合传质平衡原理、传质与反应的平衡关系等可得到一维和二维的组分输送方程，并实现传质方程所需六个浓度参数的封闭求解。
气固流动参数由基于结构的湍动流化床曳力模型求解，传质模型的数值模拟由商业软件fluent实现，以甲烷燃烧和臭氧分解实验结果对模拟结果进行校验，结果表明模拟结果与实验数据吻合较好，证明该传质模型具有较高的准确性。
通过模拟研究还发现，虽然甲烷浓度在催化剂浓度较高的位置会因化学反应消耗而降低，但组分流动以及扩散的影响使甲烷浓度与催化剂浓度之间不存在绝对的大小对应关系。
随着气速的增加，由于组分流入速率增加和停留时间变短，臭氧浓度有所增加，但因为气固传质得到强化，反应消耗的臭氧总量是增加的。
此外，稀密两相间的组分交换过程是臭氧分解反应的控制步骤。
本工作利用臭氧分解作为模型反应，通过以上的湍动流化床传质模型分析了传质模拟结果与相间传质系数求解关联式、气速的关系。
内旋自转旋流器数值模拟与试验研究
内旋自转旋流器数值模拟与试验研究
内旋自转旋流器是一种用于流体传动和混合的装置，它具有高效的传质和传热能力。
针对内旋自转旋流器的数值模拟与试验研究，可以从以下几个方面展开：
1. 数值模拟：通过计算流体力学（CFD）方法，对内旋自转旋流器的流动特性进行数值模拟。
可以利用流体的复杂流动模型，如湍流模型（如雷诺平均应力模型、LES模型等），对内旋旋流器的流动进行模拟和分析，研究其流速分布、湍流特性等。
2. 试验研究：可以设计和搭建试验平台，通过实验手段对内旋自转旋流器进行研究。
可以使用实验流体进行液体流动实验，观察内旋自转旋流器在不同操作条件下的性能指标，如流量、混合效果等。
同时，可以通过测量和分析，得到实验数据，与数值模拟结果进行对比和验证。
3. 设计优化：基于数值模拟和试验研究的结果，可以对内旋自转旋流器的结构参数进行优化设计。
通过调整旋流器的旋流叶片角度、结构尺寸等，以达到更好的混合效果和传质传热性能。
需要注意的是，进行数值模拟和试验研究时，要遵守相关的技术规范和安全操作规程，确保实验过程的安全性和可靠性。
(2021年整理)湍流的数值模拟综述
湍流的数值模拟综述编辑整理：尊敬的读者朋友们：这里是精品文档编辑中心，本文档内容是由我和我的同事精心编辑整理后发布的，发布之前我们对文中内容进行仔细校对，但是难免会有疏漏的地方，但是任然希望（湍流的数值模拟综述）的内容能够给您的工作和学习带来便利。
同时也真诚的希望收到您的建议和反馈，这将是我们进步的源泉，前进的动力。
本文可编辑可修改，如果觉得对您有帮助请收藏以便随时查阅，最后祝您生活愉快业绩进步，以下为湍流的数值模拟综述的全部内容。
湍流的数值模拟一、引语流体的流动形态分为湍流与层流。
而层流是流体的最简单的一种流动状态。
流体在管内流动时，其质点沿着与管轴平行的方向作平滑直线运动。
此种流动称为层流或滞流,亦有称为直线流动的.流体的流速在管中心处最大，其近壁处最小。
管内流体的平均流速与最大流速之比等于0.5，根据雷诺实验，当雷诺准数引Re<2320时，流体的流动状态为层流.当雷诺数Re〉2320时，流体流动状态开始向湍流态转变，湍流是一种很复杂的流动状态,是流体力学中公认的难题。
自从19世纪末O.Reynolds提出湍流的统计理论以来，已经有一个多世纪了，经过几代科学家的努力，湍流研究取得很大进展，但是仍然不能满足工程应用的需要，以至于经常有悲观的论调侵袭湍流研究。
为什么湍流问题没有圆满地解决会受到如此关注呢？因为湍流是自然界和工程中十分普遍的流动现豫，对于湍流问题的正确认识和模化直接影响到对自然环境的预测和工程的质量.例如，当前影响航天器气动力和气动热预测准确度的主要障碍是缺乏可靠的湍流模型。
和其他一些自然科学的准题不同，解决湍流问题具有迫切性。
湍流运动的最主要特征是不规则性，这是大家公认的。
对于湍流不规则性的深入认识,是一百多年来湍流研究的上要成就之一。
早期的科学家认为，像分子运动一样，湍流是完全不规则运动。
类似于分子运动产生黏性,湍流的耗散可以用涡黏系数来表述。
20世纪初，一些杰出的流体力学家，相继对涡黏系数提出各种流体力学的模型，如Taylor(1921年)的涡模型,Praudtl(1925年)的混合长模型和von Karman （1930年)相似模型等。
湍流模型和壁面函数对室内空气流动数值模拟的影响
湍流模型和壁面函数对室内空气流动数值模拟的影响谢海英;张双;关欣【摘要】以室内有隔板的低雷诺数空气流动模型的试验数据为依据,利用ANSYS Fluent软件,比较了4种湍流统计模型(标准k-ε模型、可实现k-ε模型、重整化群k-ε模型和SST k-ω模型)及4种壁面函数(标准壁面函数、可伸缩壁面函数、非平衡壁面函数和增强型壁面函数)对室内空气时均流场的预测能力.结果表明,重整化群k-ε模型的预测效果相对最佳,但4种湍流模型的预测能力差别不显著,预测值与试验值均吻合较好.对于中等疏密度网格,标准壁面函数对网格和流动的适应性最好,预测能力最佳,而其他3种壁面函数的处理能力一般.%Based on the experimental velocity data of a model room with a panel under low Reynolds number condition,the effects of four turbulence models (the standard k-ε model, realizable k-ε model,RNG k-ε model and SST k-ω model)and four wall functions (the standard wall function,scalable wall function,non-equilibrium wall function and enhanced wall function)on indoor air flow simulations were compared using ANSYS Fluent software.The results show that all the four turbulence models can well predict the flow and the RNG k-ε turbulence model performs best,but the prediction difference among the four models is not significant.When adopting medium meshes,the standard wall function can give satisfactory results while the performances of other three wall functions are not very well.【期刊名称】《上海理工大学学报》【年(卷),期】2017(039)001【总页数】5页(P84-88)【关键词】湍流模型;壁面函数;室内空气流动;数值模拟【作者】谢海英;张双;关欣【作者单位】上海理工大学环境与建筑学院,上海 200093;上海理工大学环境与建筑学院,上海 200093;上海理工大学环境与建筑学院,上海 200093【正文语种】中文【中图分类】O357.5建筑通风能有效改善室内空气质量[1～3].为评价通风效果,需要准确了解建筑内的流场特性.与试验测量方法相比,数值模拟方法成本低、周期短,但模拟的难点之一是如何选取合适的湍流模型[2-10],尤其低速送风时,近壁面区的低雷诺数效应明显.因此,文献认为对近壁面区流动应直接计算,湍流模型也应采用LES(大涡模拟)法[2],但该方法的计算成本相对较高.为明确各湍流模型的预测效果、壁面附近流动的处理以及网格要求,本文以机械通风模型的试验数据为依据[3],采用ANSYS Fluent软件,对几种常用的湍流统计模型和壁面函数的预测能力进行比较,为建筑通风问题的数值预测提供参考.建筑通风模型取自试验研究[3],如图1所示,房间模型内的隔板位于模型中间且高度为房间高度H的一半,气流由进口流入,出口流出,进、出口面的尺寸相同且位置关于隔板对称.模拟流动时,建筑内外无温差,控制方程为连续性方程、Navier-Stokes方程和湍流模型方程,方程具体形式可参见文献[11].坐标原点O位于房间左侧墙与地面交线的中点,沿房间长、宽和高的方向依次为x,y和z轴.试验[3]给出了图1中L1(位于进口面中心且垂直该面的线段)和L2(位于房间对称面上且z=H/4的线段)处的z向速度uz.为方便讨论,以隔板为界,将流域分为进口区域和出口区域,并将L2上靠近隔板右侧壁面附近区域定义为A域,L2与L1的交点附近区域定义为B域,L2与模型右侧墙面相交的附近区域定义为C域.命名y=0的面为sym面,由于整个流动关于sym面对称,因此,计算域沿sym面取为模型的一半.进口处气流速度按试验取为0.235 m/s[3],湍流度设为1%,进口处的雷诺数Re=1 500,出口采用出流条件,其余墙面采用固壁边界条件.计算采用结构化非均匀网格,壁面附近网格加密,计算共采用了3套网格,靠近壁面的第一层网格大小(与壁面垂直方向的尺寸)及网格总数如表1所示.经计算,房间内隔板厚度对模拟结果几乎无影响,因此,将隔板设为零厚度.计算收敛的标准为残差达到10-5,且流场无变化.针对壁面附近不同的网格情况,ANSYS Fluent有4种壁面函数[12],分别为标准壁面函数(standard wall function)、可伸缩壁面函数(scalable wall function)、非平衡壁面函数(non-equilibrium wall function)和增强型壁面函数(enhancedwall function),本文首先进行网格独立性分析和湍流模型预测的比较,最后讨论4种壁面函数的影响.2.1 网格无关性分析图2是采用标准k-ε模型和标准壁面函数时得到的L1和L2处速度值.由该图可知,3种密度的网格模拟结果变化不大,且趋势一致,并与试验值吻合较好.在L1上且离开进口0.2 m附近,标准k-ε模型对uz的预测值略小于试验值,这说明模拟的进口速度衰减略快于实际情况.在L2的B域附近,标准k-ε模型的uz略小于试验值,在L2的A域和C域,随着网格的加密,uz逐渐增大且更接近试验值.3种网格的预测值可认为是网格独立解,为尽可能提高计算精度,本文选用mesh-5网格进行后续研究.2.2 湍流模型的影响为考察湍流统计模型对室内气流的模拟效果,本文在mesh-5网格上,选取标准k-ε、可实现k-ε、重整化群k-ε湍流模型模拟室内气流,且均采用标准壁面函数.考虑到室内气流的低雷诺数流动特征,还选取了SST k-ω模型,4种模型的模拟结果如图3所示,图中还给出了文献采用LES的模拟值[2].由图3可知,所有模型的预测值都与试验值吻合较好,但在某些位置存在一定的差异.由图3(a)可知,4种湍流统计模型对L1处uz的预测能力基本接近,并与LES的预测结果也基本相同.由图3(b)可知,在L2的x=0.1～0.4 m范围内,重整化群k-ε模型的uz预测值与试验值吻合最好;在L2的A域,重整化群k-ε模型、可实现k-ε模型和标准k-ε模型的uz预测值与试验值几乎相同,而SST k-ω模型和LES的模拟值均比试验值大40%左右;在L2的x=0.6 m附近,重整化群k-ε模型和可实现k-ε模型比标准k-ε模型的预测有改善,但略逊于SST k-ω模型和LES的模拟值;在B域附近,所有模型的uz预测值均小于试验值;在C域附近,重整化群k-ε、可实现k-ε、标准k-ε和SST k-ω模型均与试验值吻合,但LES的uz值略小于试验值.综上所述,在本文选取的4种湍流统计模型中,就与uz试验值的吻合度而言,重整化群k-ε模型的预测能力相对最好,SST k-ω模型次之,可实现k-ε模型和标准k-ε模型预测略差,且湍流统计模型在时均速度的预测上与LES的预测能力相当.图4(见下页)是重整化群k-ε模型在sym面的流场图和压力场图.由图4(a)可知,进口处的气体射流在遇到地板、隔板和右侧墙面时,形成2个旋涡区,分别位于隔板右侧和右墙面附近.进口区域的流动速度明显大于出口区域的,尤其在出口区域的地板附近,气体流速很小,在出口域的一半高度处,也有一个较弱的旋涡区.图4(b)显示气流进口的射流域总压最大,然后沿着射流域外边界向外快速减小,出口区域总压最小,总压分布与图4(a)的流动趋势一致.2.3 壁面函数的影响由于送风速度较低,室内流动为非充分发展湍流,近壁面区的低雷诺数效应显著,因此,有必要进一步讨论近壁面的处理,即壁面函数的选用.对于标准壁面函数,文献[12]建议壁面无量纲距离yP/ν,Cμ=0.09,kP为邻近壁面节点P的湍动能,yP为节点P与壁面间的距离,ν为流体运动黏度系数),即邻近壁面的第一层网格不能太小,否则会影响数值解的准确性.表2是3种模型在3种网格和标准壁面函数时的(计算域中固壁面y+的最大值),因SST k-ω模型没有壁面函数选用问题,因此,表2未给出该模型的y+.显然,3种网格不满足y+>15的要求,但若将壁面处网格继续增大,则计算收敛性变差,且从前文分析可知，3种网格的模拟值与试验值的吻合度均较好,因此,标准壁面函数对中等密度网格的适应性良好.图5是采用重整化群k-ε模型和4种壁面函数时的模拟值比较.由图5可知,标准壁面函数、可伸缩壁面函数、非平衡壁面函数与增强型壁面函数的计算结果有较明显的差异.文献[12]建议在y+<11时采用可伸缩壁面函数,以避免标准壁面函数的模拟值因网格过密而可能偏离实际值.从表2可知,mesh-5网格的y+满足可伸缩壁面函数的适用条件,该壁面函数对流动的整体预测尚可(见图5),但在L2的x=0.1～0.4 m和x=0.5 m附近(隔板右侧)的uz预测值均偏小,与试验值的吻合度不如标准壁面函数的模拟值.图5表明,非平衡壁面函数的总体预测要好于可伸缩壁面函数的,尤其在L2的x=0.8 m附近,模拟的uz与试验值的吻合度要好于标准壁面函数和LES(见图3(b)),但对L2的A域和C域速度预测值均偏小.非平衡壁面函数相比于标准壁面函数的修正是考虑沿流向的压力梯度造成的影响,如近壁区速度分布不再服从对数分布律,从而其湍动能的生成与耗损并不平衡.从图4(b)的压强分布图来看,在隔板及模型右边墙壁附近,沿流向的压强变化并不显著,因此,非平衡壁面函数对上述区域的速度预测反而不如标准壁面函数.与非平衡壁面函数类似,增强型壁面函数对L2的A域和C域速度预测值也偏小(见图5(b)).同时,该壁面函数预测的uz在B域附近沿着x正、负方向迅速减小,而其他几种壁面函数的uz值在B域基本不变(其范围与进口尺寸基本相同),其值略小于进口速度,也小于试验值.增强型壁面函数在y+≈1时采用低雷诺数的两层模型,当第一层网格布置在湍流区时,采用增强型壁面函数求解壁面物理量.网格mesh-5有3<y+<10,即为中等疏密度网格,尽管该壁面函数对中等疏密网格在固壁附近的速度型线有渐变的处理[12],但从模拟结果来看,其预测效果并不理想,因此,增强型壁面函数的预测能力还需进一步探讨.总体来说,本文模拟的室内流动由于壁面函数不同造成的模拟结果差异要明显大于湍流模型的差异(见图3(b)和图5(b)),因此,模拟时应谨慎选取壁面函数.以室内空气流动的模型试验数据为依据,对有隔板的室内低雷诺数流动进行了数值分析.在得到网格独立解的基础上,采用中等疏密度网格,比较了4种湍流统计模型和4种壁面函数对流动模拟的影响,结论如下:a. 标准k-ε模型、可实现k-ε模型和重整化群k-ε模型(采用标准壁面函数时)以及SST k-ω模型均能较好地预测室内空气流动,重整化群k-ε模型的预测效果相对最好,SST k-ω的预测能力次之,湍流统计模型对时均流速的预测能力与LES基本相当;b. 在网格或流动特征不满足标准壁面函数的适用条件时,尽管3种壁面函数(可伸缩壁面函数、非平衡壁面函数与增强型壁面函数)提出了改进,但在本文模拟的流动中并未表现出比标准壁面函数更好的处理能力,相反,标准壁面函数却表现出对网格和流动良好的适应性;c. 对于本文模拟的室内空气流动,壁面函数不同造成的模拟结果差异要明显大于湍流模型的差异,因此,在流动的模拟中对壁面函数的选取应更谨慎.【相关文献】[1] THAM K W.Indoor air 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湍流模型的作用
湍流模型的作用湍流模型的作用湍流是自然界流体运动中最普遍也最复杂的现象之一。
它存在于河流、风、大气、海洋以及各种设备中的流动。
对于湍流的研究，既具有科研价值，也具有实际应用价值。
而湍流模型作为研究湍流的方法之一，具有以下几方面的作用。
一、模拟湍流过程湍流模型用于模拟湍流过程，通过对流场、压力场等参数的计算、分析和预测，可以预先掌握湍流运动的规律和特征，提高对湍流的认识和理解。
同时，湍流模型还可以对湍流场进行图像化处理，通过色谱图、瞬态图等方式呈现出湍流场的动态特征。
这样有利于加深人们对湍流的认识，也对不同领域的湍流问题提供了有效的解决方法。
二、优化流体动力学模型湍流模型在优化流体动力学模型方面起到了很大的作用。
在工程领域中，通过计算流体力学模拟，可以灵活地改变流场的初始条件和边界条件，进而计算得到更为精确和合理的结果。
简单来说，湍流模型能够使得流体动力学模型更加精确地描述物理过程，减少误差和不确定性，提高项目的可靠性和安全性。
三、加速工程机械设计当设计机械设备时，湍流模型能够较快地预测特定流体系统的性能，从而加速了机械设备的设计过程。
例如，通过计算得出飞机翼下方的湍流场状况，可以提供对设计参数的指导，以确保飞机在空气动力学上的性能、安全性、稳定性等方面的优化。
四、研究生物化学反应除了物理领域外，湍流模型在生物化学反应领域也得到了广泛的应用。
例如，在生物科技中，可以通过湍流模型计算和预测微生物生长和代谢产物分布的变化规律，为微生物代谢工程的实现提供帮助。
总之，湍流模型作为一种重要的模拟计算方法，充分发挥了在不同领域的作用，能够帮助人们更好地理解和研究湍流问题，并在新产品研发以及科技创新中发挥着越来越重要的作用。
工程流体力学中的湍流模型与数值模拟方法研究
工程流体力学中的湍流模型与数值模拟方法研究1.引言工程流体力学是一门研究流体在实际工程中运动和相互作用的学科。
在实际工程中，流体的运动往往是复杂且非线性的，湍流现象更是普遍存在的。
湍流模型和数值模拟方法的研究对于准确预测流体力学现象和优化工程设计至关重要。
2.湍流模型湍流模型是描述湍流的方程组，在数值模拟中用于求解湍流流动。
常用的湍流模型包括雷诺平均速度-应力模型（Reynolds-Averaged Navier-Stokes，简称RANS）和大涡模拟（Large Eddy Simulation，简称LES）等。
2.1 RANS模型RANS模型中，通过对速度和应力进行平均来描述湍流，其中最为经典的模型是k-ε模型和k-ω模型。
k-ε模型通过考虑湍动动能k和湍扩散率ε来描述湍流，k-ω模型则引入湍动涡度ω并考虑其输运方程。
2.2 LES模型LES模型中，湍流被分解为大尺度和小尺度两部分，其中大尺度由模拟求解，小尺度则通过模型来近似。
LES模型的优势在于能够更加准确地描述大尺度湍流结构，但计算成本也更高。
3.数值模拟方法数值模拟方法是利用计算机进行流体力学问题求解的技术，其核心是离散化流体力学方程并进行数值求解。
常用的数值模拟方法包括有限体积法、有限元法和谱方法等。
3.1 有限体积法有限体积法是一种常用的数值模拟方法，通过将物理域分割为离散的控制体积，并将流场变量在控制体积上进行积分，从而得到离散化的方程组。
有限体积法适用于复杂几何边界的流动问题。
3.2 有限元法有限元法是一种广泛应用的数值模拟方法，通过将问题的解空间分解为多个小区域，通过插值函数来逼近流场变量。
有限元法适用于复杂几何形状和非结构化网格的流动问题。
3.3 谱方法谱方法是一种基于傅里叶级数展开的数值模拟方法，通过将流场变量分解为一系列基函数的展开系数，从而实现对流场的近似。
谱方法适用于光滑和周期性流动问题。
4.研究进展与挑战近年来，湍流模型与数值模拟方法的研究取得了很多进展，例如高阶湍流模型的发展和精确湍流模拟的实现等。
液固散式流态化CFD模拟中曳力模型的影响
化工学报 2019 年 第 70 卷 第 11 期 |
DOI：10.11949/0438-1157.20190583
式流态化 CFD 模拟中曳力模型的影响
张仪 1，白玉龙 1，骆丁玲 2，路建洲 2，关彦军 1，张锴 1
（1 华北电力大学热电生产过程污染物监测与控制北京市重点实验室，北京 102206； 2 山西平朔煤矸石发电有限责任公司，
山西 朔州 036800）
摘要： 基于无黏性双流体简化模型在商业化软件平台上，通过增加用户自定义子程序考察了 Gidaspow、Syamlal-
fluidization
ZHANG Yi1, BAI Yulong1, LUO Dingling2, LU Jianzhou2, GUAN Yanjun1, ZHANG Kai1
(1 Beijing Key Laboratory of Emission Surveillance and Control for Thermal Power Generation, North China Electric Power
inviscid two-fluid model proposed by Brandani and Zhang in a commercial platform together with user-defined
FORTRAN subroutines. Typical experimental data including a wide range of particle Reynolds numbers from
proposed by Gidaspow, Syamlal-O Brien, Di Felice, Gibilaro, Dallavalle and BVK are compared for predicting
不同湍流模型在离心压缩机叶轮内流场数值模拟中的比较研究
文章编号:1005-0329(2010)08-0022-05收稿日期: 2009-11-04 修稿日期: 2010-01-13基金项目: 国家高技术研究发展计划(2008AA04Z111)不同湍流模型在离心压缩机叶轮内流场数值模拟中的比较研究胡胜波,苏莫明(西北工业大学,陕西西安 710072)摘要: 以SI M PLEC 算法为基础,运用3个湍流模型(标准k-E 模型、RNG k-E 模型、realizab le k -E 模型)模拟了离心压缩机叶轮内部湍流流动,考查了不同湍流模型在计算叶轮机械内部分离流动时的性能。
数值实践表明,RNG 模型性能最优,应优先考虑使用RNG 模型进行叶轮机械内流模拟。
关键词: 湍流;模型;离心压缩机;比较研究中图分类号: TH 452 文献标识码: A do:i 10.39b9/.j issn .1005-0329.2010.08.006Com par ison of D ifferent Turbulence M odels for Nu m erical Sim ulation of InternalF low of Centrifugal CompressorHU Sheng -bo ,S U M o -m i ng(N orthwestern Po l y techn ical Un i v ers it y ,X i .an 710072,Ch i na)Ab stract : Based on SI M PLEC a l gor it h m,the t urbulent flo w i n the vane channe l of centr if ugal compressor is nu m ericall y si m u l ated usi ng three t urbulence m odels (Standard k-E mode,l RNG k-E mode ,l reali zable k-E mode l)for the purpo se o f exa m i n i ng di-f ferent t urbulence m odels .perfor m ance on si m u l ation o f i nte rna l separated flo w s of turbo machi nery .N u m erica l exper i m ents show that ,RNG mode l show s superior perfor m ance and shou l d be a pre ference f o r s i m ulati ng the internal flo w s o f turbo m achinery .K ey word : turbulence ;k-E m ode;l centr if ugal co m pressor ;com par i son1 引言离心压缩机叶轮的内部流动十分复杂,一般是三维的湍流流动。
曳力模型对流态化两相流动数值计算影响的研究
第36卷,总第211期2018年9月,第5期《节能技术》ENERGY CONSERVATION TECHNOLOGY Vol.36,Sum.No.211Sep.2018,No.5曳力模型对流态化两相流动数值计算影响的研究李 麟1,薄泽民2,陆 梁1,孙 磊1(1.上海电力建设启动调整试验所,上海 200031;2.动力机械与工程教育部重点实验室(上海交通大学),上海 200240)摘 要:颗粒间曳力模型对于流态化两相流动数值模拟有着重要的影响。
本文利用FLUENT 作为数值计算工具,采用欧拉双流体模型对微米级别(粒径5um )的细颗粒在不同曳力模型下的气固流态化两相流动进行数值模拟对比分析,并采用优选的曳力模型对粒径500um 和50um 的颗粒进行流态化流动的数值模拟。
模拟结果表明Gidaspow 曳力模型在所研究的范围框架下有着更加良好的表现,更加符合实际情况。
关键词:曳力模型;流态化;气固两相流;欧拉双流体模型;数值模拟中图分类号:O359 文献标识码:A 文章编号:1002-6339(2018)05-0436-04Influence of Drag Model on the Numerical Simulation ofFluidized Two -phase FlowLI Lin 1,Bo Ze -min 2,Lu Liang 1,Sun Lei 1(1.Shanghai Power Construction Startup &Testing Institute,Shanghai 200031,China;2.Key Laboratory of Power Machinery and Engineering (Shanghai Jiao Tong University),Shanghai 200240,China)Abstract :The drag model of the solid particle has a significant effect on the two -phase fluidization nu⁃merical simulation.In this work,the unsteady -state simulation of Euleriant -model with different drag models were conducted to indicate fluidization characteristics of ultrafine -particle to find applicable drag model.And with it,the solid particle size of 500um and 50um were taken to simulation to investigate the two -phase fluidization characteristics.The rusult shows that the Gidaspow drag model have some ad⁃vantages under the research conditions.Key words :drag model;fluidization;gas -solid two -phase flow;euleriant -model;numerical -simu⁃lation收稿日期 2017-11-02 修订稿日期 2018-04-05作者简介:李麟(1988~),男,硕士,工程师,研究方向为电站能效与节能技术。
基于能量最小多尺度曳力模型的搅拌槽内气液两相流计算流体力学模拟及实验研究
CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS 2017年第36卷第11期·4000·化 工 进展基于能量最小多尺度曳力模型的搅拌槽内气液两相流计算流体力学模拟及实验研究李新菊1，2，管小平2，杨宁2，刘明言1（1天津大学化工学院，天津 300350；2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）摘要：采用双电导探针和欧拉-欧拉双流体模型对涡轮桨搅拌槽内局部气液分散特性分别进行了实验和三维计算流体力学（CFD ）数值模拟研究。
重点研究了转速对搅拌槽上下循环区局部气含率分布、全槽液相流场和湍动动能的影响。
实验表明，转速对上循环区气含率分布的影响大于下循环区，且上循环区气含率随转速的增大而增大。
CFD 模拟比较了TOMIYAMA 曳力模型和基于能量最小多尺度理论（EMMS ）的DBS-Local 曳力模型对局部气含率的预测结果。
结果显示DBS-Local 曳力模型能够较好地预测出不同搅拌转速下搅拌槽循环区气含率径向分布；TOMIYAMA 曳力模型只能定量预测出低搅拌转速下（140r/min ，280r/min ）循环区的气含率分布，高转速下（420r/min ，560r/min ）该曳力模型不能模拟出下循环区壁面附近的气体，且低估了上循环区气含率。
关键词：搅拌槽；气液两相流；电导探针；能量最小多尺度；计算流体力学中图分类号：TQ021.1 文献标志码：A 文章编号：1000–6613（2017）11–4000–10 DOI ：10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0051Experimental study and CFD simulation of gas-liquid flow in a stirredtank using the EMMS drag modelLI Xinju 1，2，GUAN Xiaoping 2，YANG Ning 2，LIU Mingyan 1（1School of Chemical Engineering and Technology ，Tianjin University ，Tianjin 300350，China ；2State Key Laboratoryof Multiphase Complex Systems ，Institute of Process Engineering ，Chinese Academy of Sciences ，Beijing100190，China ）Abstract: The characteristics of local gas-liquid dispersion characteristics in a stirred tank of Rushton impellers were studied by experiments and CFD simulation. The local gas holdup distribution was measured by using a double conductance probe. The gas-liquid flow was modeled by an Eulerian-Eulerian two-fluid model along with the k-ε turbulence mixture model. Effects of rotational speed on the local gas holdup distribution in the upper and lower circulation zone were studied. The experiments showed that the effect of rotational speed on gas holdup distribution in the upper circulation zone was larger than that in the lower circulation zone ，and the gas holdup increased with increasing rotational speed. The prediction of the TOMIYAMA drag model and the DBS-Local drag model based on the EMMS theory was compared. The results showed that the DBS-Local drag model could reasonably predict the local gas holdup distribution under different rotational speeds. The TOMIYAMA drag model can only reasonably predict the local gas holdup distribution under lower rotational speeds （N =140r/min ，280r/min ）. It cannot predict the gas bubbles near the tank wall第一作者：李新菊（1990—），女，硕士研究生。
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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 waspared 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。
standard k-ε湍流模型是一种高Reynolds数模型，模型稳定简单，能够符合精度的要求[5,21]。
RNG k-ε湍流模型考虑了低Reynolds数流动、湍流旋涡，在回流等条件下可能会更精确[5,21]。
realizable k-ε湍流模型为湍流黏性增加了一个公式，为湍流耗散率增加了新的输运方程；在预测强旋流、浮力流、重力分层流、管道内流动、圆管射流以及带有分离的流动等场合更精确[5,21]。
两相湍流模型主要包括Mixture、Dispersed和Per phase湍流模型。
Mixture湍流模型将连续相和分散相的湍流统一视为混合物的湍流来进行求解，不分别求解单相的湍流，计算量相对较小，数值稳定性好[18]。
Dispersed湍流模型适用于分散相相对于主相为稀疏相的情况，主相的湍流通过求解湍动能k和ε的输运方程得到，分散相的湍流特征则用一系列的联系分散相与连续相的湍流特性代数方程获得[18]。
Per phase湍流模型对每一相分别求解一套k和ε的输运方程，计算负荷较大，适用于相间湍流转移比较重要的情况[18]。
由于realizable k-ε所适用的工况与本文的模拟工况不符合，Per phase的计算负荷大，本文主要研究了standard k-ε mixture、standard k-ε dispersed、RNG k-ε mixture和RNG k-ε dispersed的影响。
气液两相间的动量传递主要是由相间作用力引起的，主要包括曳力、升力、虚拟质量力和湍流扩散力等。
曳力在数值上远大于其他的相间作用力，任何情况下都不能被忽视。
因此本文主要研究曳力的影响。
本文应用了5种不同的曳力模型，其关联式如表1所示。
本文模拟的是Simcik等[8]的内环流反应器实验。
用Gambit 2.4.6进行3D网格划分，用ANSYS Fluent 15.0商业软件进行数值模拟。
图1给出了内环流反应器的结构及计算网格。
模拟的物系和实验相同，均为空气-水体系，设置入口边界为速度入口边界，反应器顶部为压力出口边界，初始液面高度为1.7 m，壁面采用无滑移边界条件。
为简化模拟计算，将实验中采用的多孔分布板进气改为面进气，表观气速为0.01、0.02、0.05、0.075 m·s-1。
压力速度耦合方式采用SIMPLE格式离散，动量方程以及湍流方程均采用一阶迎风格式离散，松弛因子使用默认设置。
模拟中所有的时间步长为0.005 s，计算55 s后模拟达到准稳态，然后时均统计55 s。
采用standard k-ε mixture湍流模型，气泡尺寸为5 mm，探究了5种不同的曳力模型(Schiller-Naumann、Tomiyama、Grace、Ishii-Zuber和DBS-Local)对模拟结果的影响。
不同曳力模型下提升管气含率的模拟结果与实验结果见图2。
从图中可以看出：5种曳力模型均能够有效地预测出随表观气速的增加，提升管气含率增加的趋势。
这5种曳力模型均在低气速下高估了提升管的气含率，在高气速下低估了提升管的气含率。
Schiller-Naumann、Tomiyama、Grace和Ishii-Zuber这4种曳力模型对提升管气含率的预测值几乎完全相同。
与这4种曳力模型相比，DBS-Local曳力模型对提升管气含率的模拟值与实验值更为接近。
在低表观气速下这5种曳力模型的模拟误差较小（最大误差为10%），随着表观气速的增加，误差随之增大（最小误差32%）。
张涛[18]在CFD模拟中也观察到了同样的现象，并将模拟误差随表观气速增大的原因归于流型转变。
当流型从均匀鼓泡流进入非均匀流时，气含率随表观气速增加的速率会降低。
流型转变前，气含率的模拟值与实验值较为吻合，流型逐步发生变化后，出现提升管气含率逐渐偏离的情况。
在本文模拟的实验操作工况下，随着表观气速的增加，可能也出现了流型的转变，因此高气速下提升管气含率的模拟误差增大。
不同曳力模型下提升管、下降管轴向液速模拟结果与实验结果见图3和图4。
从图中可以看出，5种曳力模型对提升管、下降管液速的模拟值均低于实验值。
Schiller-Naumann、Tomiyama、Ishii-Zuber和Grace这4种曳力模型的模拟结果几乎完全一致，且与实验值吻合较好（最大误差19%）。