4.3釜一气泡大小分布的模拟 26

结  论 28

参考文献 30

 1 绪论

气-液搅拌反应器被广泛应用于食品工程、石油化工和生物化学等领域，以实现像均质化、气体分散、热传递和固体悬浮等一系列操作。它有传热效率高；操作弹性大；适用范围广；停留时间调节范围大等众多优点。由于对搅拌釜内流体力学的研究对于反应器的设计、优化和放大以及了解搅拌釜内物料的混合程度有着重要的意义。多年来，做了大量的实验研究以探索影响搅拌釜中传质效率的气体分散特性。这些研究均表明实验结果与操作条件和釜的几何形状有关。

1.1  气-液两相的CFD研究进展

1.2 CFD软件简介

CFD软件（Computational Fluid Dynamics），即计算流体动力学，是计算机科学、近代流体力学和数值数学相结合的产物，是一门有强大生命力的科学。它以计算机为辅助工具，应用不同的离散化数学方法，对涉及到流体力学的各类问题进行计算机数值模拟，以解决各种实际问题。目前比较好的CFD软件包括：CFX、Fluent、Phoenics、Star-CD，除了Fluent是美国公司的软件，其它的都是英国公司的产品。本文采用美国公司开发的Fluent软件。

Fluent是由美国FLUENT Inc于1983年基于有限容积法推出的软件，是继Phoenics软件之后第二个投放于市场的，它包含有结构化、非结构化网格两个版本。在结构化网格版本中有适体坐标的前处理软件，同时也可以导入Patran、Ansys、I-Deas及Icemcfd等专门生成网格的软件。1998年FLUENT公司推出了自己研制的新的前处理生成软件Gambit，并将Fluent/uns与Rampant合并为Fluent5。

CFD软件一般由前处理器、求解器和后处理器三部分组成。前处理过程就是为求解器定义需要解决的问题参数。前处理过程需要做的工作有：定义计算域；对计算域进行网格划分；选择使用求解问题的模型；定义求解器的类型；确定边界条件。求解器的任务就是对一系列的方程进行计算。Fluent提供了分离解、耦合解两种解格式。耦合解又可分为：隐式耦合和显示耦合。这几种方法都很准确，而且区别也不大，只是解方程的顺序和线化耦合方程的方式略有不同。分离解以前是Fluent4和Fluent/uns用于不可压缩和一般可压缩流的，耦合显示解以前Rampant用来解高速可压缩流的。现在，两种方法都适用于很大范围的流动（从不可压缩到高速可压缩），但是计算高速可压缩流时耦合方法比分离方法更适合。Fluent默认使用的是分离求解器，但是对于高速可压缩流，强体积力导致的强烈耦合流动，或者在非常精细的网格上流动，则需要考虑隐式耦合求解。这一解法耦合了流动和能量方程，常常可以很快收敛，但是耦合隐式解所需要的内存大约是分离解的1.5-2倍。在需要隐式耦合解但计算机内存却又不够的情况下可以采用耦合显示解，耦合显示解也耦合了流动和能量的方程，却比耦合隐式解需要的内存少，相应的其收敛性自然就差一些。分离解和耦合解都采用有限体积法，但是其线化的方法和离散方程的解法并不相同。后处理用来对计算结果进行查看和数据的输出。Fluent软件自身提供图形工具，可以很方便的处理CFD求解结果中所包含的信息并观察相应的结果。

 2  气-液两相流模拟方法及模型

2.1 气-液两相流模拟方法

CFD计算处理气-液两相流的方法主要有三种：即Euler-Euler法、Euler-Lagrange法、Lagrange-Lagrange法。Euler-Euler法是把气泡、颗粒等分散相和流体都视为连续的介质，分散相和连续可以共同存在且相互渗透，两相均在Euler坐标系下，采用与连续流体类似的质量、动量、和能量守恒方程进行描述，气泡相与流体相之间的耦合是通过两个守恒方程里的相间转移相得到的，即双流体模型。双流体模型中分散相和连续相有相同形式的控制方程，其计算量较小，目前对多相体系的CFD 模拟主要采用这种方法。Euler-Lagrange法把流体看作连续性介质，将气泡、液滴或固体颗粒视为离散体系，在Euler 坐标系下考察流体相的运动，在Lagrange 坐标系下研究颗粒群的运动，即颗粒群轨道模型。这种方法是假设流体相影响颗粒的运动，但反过来气泡不影响液相的运动，这种模型的特点是物理概念直观，但是其计算量较大，更适合分散相浓度较低的多相体系的计算。Lagrange-Lagrange 法不仅将宏观离散的颗粒当成离散相处理，还将宏观连续的流体相也当作拟“颗粒”流体微团处理，将颗粒和流体都在Lagrange 坐标下进行处理，该模型目前正处于发展阶段，还不是很成熟。因此本文选取Euler-Euler法来作为处理气-液两相流的方法。