OpenFOAM中的气液搅拌反应器内CFD-PBE两相流数值模拟

【作者】 王重庆； 杨丽； 王浩亮； 程景才； 杨超；

【机构】 天津大学化工学院； 中国科学院过程工程研究所中国科学院绿色过程与工程重点实验室； 中国科学院大学化学工程学院；

【摘要】 气液两相流常用于石油化工、医药化工、细菌发酵等过程,反应器内的非均相特性往往决定了多相流体之间的传热、传质等特性,进而影响反应过程的选择性以及产品的质量,然而由于多相流的复杂时空特性,目前依然没有能准确描述其过程的模型。本文基于开源计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)软件平台OpenFOAM (Open Source Field Operation and Manipulation),并耦合群体平衡方程(Population balance equation,PBE),建立CFD-PBE求解器,对气液搅拌反应器内两相流特性进行数值模拟研究。采用欧拉-欧拉双流体模型以及混合k-ε湍流模型获得流场结构,使用PBE对气泡的聚并与破碎过程进行建模,得到气泡的局部尺寸分布,并对气相所受曳力进行修正。采用瞬态PIMPLE算法对压力-速度方程进行分离求解,并在PIMPLE算法的外循环中采用单元平均法对PBE进行求解。反应器为直径0.282m (T)的标准搅拌槽,搅拌桨为T/3的标准Rushton桨,模拟结果与实验测得的局部相含率、速度场分布、气泡尺寸分布均有较好的一致性。本文探究了表观气速及搅拌速度对气泡尺寸分布的影响。总体而言,气泡平均尺寸随着表观气速的增大而增大,随着搅拌速度的增大而减小,且随着搅拌转速增加,气泡尺寸分布变窄。在空间上,在上循环区大尺寸气泡含量较多,而在桨区小尺寸气泡最多。更多还原