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论文将离散单元法(Discrete Element Method,DEM)与流体体积法(Volume of Fluids, VOF)相耦合,建立了相应的三维几何模型并设定了初始边界条件,进行气-液-固三相流中气泡动力学行为的研究与分析。
进行网格无关性验证,确定1-0.5mm网格尺寸作为本论文的网格布局。为了验证本文所引入的DEM-VOF算法的可行性,计算了单个颗粒的沉降速度曲线,计算结果与理论分析一致;另外模拟了颗粒群落入水中的过程,验证了算法良好的体积守恒;将直径10mm的静止气泡在液固悬浮液中的上升过程与文献中实验数据进行对比,相对误差在6%以内。
数值模拟考察了颗粒沉在底部和颗粒自由沉降时单气孔气泡行为,以及气泡行为的影响因素。计算结果表明:气泡的生长分为膨胀、收缩和脱离三个过程,首气泡总是要比后续生成的气泡大得多,且在气泡上升中存在气泡的破碎和聚并等行为。相比颗粒沉在底部,颗粒自由沉降时气泡的脱离时间快了一倍多,首气泡直径较小。颗粒体积分率以及颗粒密度对气泡行为影响不大。首气泡脱离时间随着气体速度和气孔尺寸增加而减小,脱离速度和气泡直径随着气体速度和气孔尺寸增加而增加。降低表面张力或增加液体密度可以缩短气泡脱离时间;气泡直径随着表面张力增加而增加,随着液体密度的增加而略微减小,影响不大;且液体密度的增加使得气泡脱离速度明显变大。此外,双气孔以及三气孔气泡行为也被调查研究,发现多气孔气泡不再竖直上升,而是朝着壁面方向倾斜着向上运动。且对比气孔有时间差和同时进气两种情况可知,有时间差进气均可加快双气孔及三气孔气泡的脱离。
通过对三相流中气泡行为的深入系统研究,不仅可以为多相反应器的优化运行提供基础数据,还可以推动新型反应器的开发应用,模拟结果对于工业实践具有一定的指导意义。
进行网格无关性验证,确定1-0.5mm网格尺寸作为本论文的网格布局。为了验证本文所引入的DEM-VOF算法的可行性,计算了单个颗粒的沉降速度曲线,计算结果与理论分析一致;另外模拟了颗粒群落入水中的过程,验证了算法良好的体积守恒;将直径10mm的静止气泡在液固悬浮液中的上升过程与文献中实验数据进行对比,相对误差在6%以内。
数值模拟考察了颗粒沉在底部和颗粒自由沉降时单气孔气泡行为,以及气泡行为的影响因素。计算结果表明:气泡的生长分为膨胀、收缩和脱离三个过程,首气泡总是要比后续生成的气泡大得多,且在气泡上升中存在气泡的破碎和聚并等行为。相比颗粒沉在底部,颗粒自由沉降时气泡的脱离时间快了一倍多,首气泡直径较小。颗粒体积分率以及颗粒密度对气泡行为影响不大。首气泡脱离时间随着气体速度和气孔尺寸增加而减小,脱离速度和气泡直径随着气体速度和气孔尺寸增加而增加。降低表面张力或增加液体密度可以缩短气泡脱离时间;气泡直径随着表面张力增加而增加,随着液体密度的增加而略微减小,影响不大;且液体密度的增加使得气泡脱离速度明显变大。此外,双气孔以及三气孔气泡行为也被调查研究,发现多气孔气泡不再竖直上升,而是朝着壁面方向倾斜着向上运动。且对比气孔有时间差和同时进气两种情况可知,有时间差进气均可加快双气孔及三气孔气泡的脱离。
通过对三相流中气泡行为的深入系统研究,不仅可以为多相反应器的优化运行提供基础数据,还可以推动新型反应器的开发应用,模拟结果对于工业实践具有一定的指导意义。