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喷射器内液—液湍流混合过程的试验研究和数值模拟

作　者: 林柯利
导　师: 谭心舜
学　校: 青岛科技大学
专　业: 化学工程
关键词: 喷射器湍流混合平面激光诱导荧光计算流体力学结构尺寸
分类号: TQ021.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

喷射器作为一种新型的高强度混合效果的反应器型式,具有混合强度高、浓度及温度分布均匀、反应进程快、副反应转化率小等优点,在石油、化工、环保等领域发展迅速,已有广泛应用。然而,由于喷射器内湍流混合过程的复杂性,目前对其研究还很不充分,设计和放大都基本依靠实验来进行。本文对喷射器内湍流混合过程这一复杂问题进行了研究,通过平面激光诱导荧光(Planar laser induced fluorescence,PLIF)实验和计算流体力学(Computed fluid dynamics,CFD)模拟相结合的方法,对湍流过程中涉及的宏观混合、微观混合及其之间的相互作用对喷射器混合性能的影响进行了探讨。一、利用平面激光诱导荧光(PLIF)技术对不同操作条件、不同结构尺寸的喷射器进行了宏观混合情况的研究。获得了各种条件下喷射器瞬时、时均浓度场,利用离析度(intensity of segregation,IOS)的概念对混合效果进行了分析,结果表明:(1)流速比是影响宏观混合的重要因素,在恒射流流量的情况下,达到完全混合所需的距离是随引流的增大先增大而后减小。在恒引流流量的情况下,混合所需的距离是随射流流量的增大先增大而后减小。(2)绝对流速是影响混合的重要因素,在相同流量比的情况下,流量越大混合进行的就越快。(3)在大多数操作条件下,混合室入口直径/喷嘴直径越大,喷射器的混合效果越好。对混合距离变化曲线进行拟合,回归得到了引流/射流动量比与相对混合距离的关系式,利用此关系式可在得知进料条件的情况下计算出混合完成所需要的距离。(4)在喷嘴上游加入旋流器可以大幅提高喷射器的湍流混合强度和混合性能,选择直径大的喷嘴能取得更好的效果。二、建立了喷射器的宏观微观混合模型,利用流体力学软件Fluent6对喷射器进行了CFD模拟,得到了不同条件、不同结构尺寸下喷射器内部的湍流流场信息。建立了喷射器混合效果的评价指标,利用宏观混合分数方差与混合分数方差分别代表宏观混合和微观混合情况,结果表明:(1)利用PLIF实验数据对三种不同的湍流模型进行了比较,结果显示RNG k -ε模型与实验数据相差较大,而standard k -ε模型和realizable k -ε模型均能获得较好的结果。(2)喷射器存在一个最佳混合段直径/喷嘴直径比范围,这个比值范围在1.7～1.8之间,在这个范围内,在同样的边界条件下,喷射器完成微观混合所需要的距离最短。(3)在同样的边界条件下,扩散角度越大,喷射器完成微观混合所需要的距离就越短,而宏观混合所需要的距离随着扩散角度的增大而逐渐上升,大约在90的时候超过了微观混合距离成为了过程的控制步骤。(4)利用三个自定义无量纲准数Rq、Rd、RL和出口雷诺准数Re对喷射器性能进行了描述,结果显示这些准数之间的关系式可以较好的表示喷射器的微观混合,可以为喷射器的优化和设计提供参考。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-10
符号说明  10-12
第一章文献综述  12-31
  1.1 引言  12-13
  1.2 喷射器简介  13-18
    1.2.1 喷射器的工作原理  13-14
    1.2.2 喷射器的优点  14
    1.2.3 喷射器的分类  14-15
    1.2.4 喷射器的工业应用  15-16
    1.2.5 喷射器的研究现状  16-18
  1.3 湍流混合过程的复杂性  18-28
    1.3.1 湍流多尺度混合过程  18-20
    1.3.2 湍流模型  20-23
    1.3.3 湍流过程的多尺度性  23-26
    1.3.4 Schmidt 数对湍流混合的影响  26-28
  1.4 PLIF 技术在混合研究中的应用  28-29
  1.5 本文研究内容和结构  29-31
第二章 PLIF 技术用于喷射器的实验研究  31-52
  2.1 PLIF 技术原理  31-34
  2.2 实验装置与分析方法  34-38
    2.2.1 实验装置  34-36
    2.2.2 实验安排及分析方法  36-38
  2.3 实验结果与讨论  38-50
    2.3.1 瞬时、时均浓度场分析  38-42
    2.3.2 喷射器操作条件对混合效果影响分析  42-45
    2.3.3 喷射器结构尺寸对混合效果影响分析  45-49
    2.3.4 旋流器对混合效果影响分析  49-50
  2.4 本章小结  50-52
第三章喷射器的数值模拟模型  52-72
  3.1 CFD 方法和原理  52-57
    3.1.1 CFD 概述  52
    3.1.2 CFD 技术基本原理  52-53
    3.1.3 CFD 模拟的环节及步骤  53-56
    3.1.4 CFD 商用软件介绍  56-57
  3.2 数学模型  57-60
    3.2.1 CFD 模拟中通用控制方程  57-59
    3.2.2 控制方程的求解  59-60
  3.3 湍流模型  60-64
    3.3.1 k-ε两方程湍流模型  60-64
  3.4 物理模型  64-68
    3.4.1 三维模型  64-66
    3.4.2 网格无关性验证  66-68
  3.5 湍流模型的验证和选取  68-70
  3.6 本章小结  70-72
第四章喷射器内湍流混合过程的数值模拟  72-87
  4.1 混合模型  72-75
    4.1.1 模型方程  72-74
    4.1.2 模型参数  74-75
  4.2 模型求解  75-77
    4.2.1 计算模型  75
    4.2.2 边界条件  75-76
    4.2.3 物料性质  76
    4.2.4 网格无关性验证  76
    4.2.5 其它设置  76
    4.2.6 混合效果指标的建立  76-77
  4.3 喷射器内混合情况的模拟  77-86
    4.3.1 模拟结果与讨论  77-86
  4.4 本章小结  86-87
结论  87-89
参考文献  89-94
致谢  94-95
攻读学位期间发表的学术论文目录  95-96

喷射器内液—液湍流混合过程的试验研究和数值模拟

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