機(jī)械108-李小龍-自動(dòng)涂膠機(jī)——外文翻譯譯文.

1、空氣-水環(huán)流結(jié)合數(shù)值模擬的實(shí)驗(yàn)研究外部環(huán)流反應(yīng)器（ ELALR ）是由被相互連接的兩個(gè)橫向管和通常優(yōu)于傳統(tǒng)的鼓泡塔反應(yīng)器，因?yàn)樗鼈兛梢怨ぷ髟诟鼘挼臈l件范圍內(nèi)的兩個(gè)垂直柱的變形泡罩塔反應(yīng)器中。在本工作中，在一個(gè)ELALR氣液流動(dòng)動(dòng)力學(xué)使用二維（2D）的歐拉 - 歐拉合奏平均法進(jìn)行了模擬和三維（3D）坐標(biāo)系。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）模擬，從10.2厘米直徑的ELALR為表觀氣速范圍從1cm /秒至20厘米/指定的平均氣泡直徑來(lái)表示在氣相中的s.The效果進(jìn)行了比較，實(shí)驗(yàn)測(cè)量CFD模擬進(jìn)行了調(diào)查，并2D和3D模擬被認(rèn)為是與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合得很好。該ELALR流型進(jìn)行比較的反應(yīng)器中氣泡塔運(yùn)行時(shí)，關(guān)閉通風(fēng)口

2、，并打開通風(fēng)口模式和二維模擬定性地預(yù)測(cè)氣泡生長(zhǎng)在降液管中的行為。然而，人們發(fā)現(xiàn)，三維模擬是必要捕捉ELALR的物理特性對(duì)氣含率，體積密度差異，而提升管的空塔液速。DOI: 10.1115/1.4003424關(guān)鍵詞：氣升式反應(yīng)器，氣泡流，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)，氣含率，流體力學(xué)1引言氣升式反應(yīng)器被廣泛地由于其優(yōu)良的熱與質(zhì)量傳遞特性，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于操作的使用在許多生物處理應(yīng)用，如合成氣發(fā)酵和廢水處理1。氣升式反應(yīng)器的兩種基本分類是內(nèi)部循環(huán)和外部的環(huán)管反應(yīng)器。內(nèi)部回路反應(yīng)器是一種改性的泡罩塔（BC ），該已被細(xì)分為一個(gè)提升管和降液通過(guò)加入一個(gè)擋板或?qū)Я鞴艿?。外部環(huán)流反應(yīng)器（ ELALR ）是由一個(gè)立管和一個(gè)

3、是與兩個(gè)水平連接器（參照?qǐng)D1 ），由此提升管被放氣連接在一起的降液管的，而在降液管是沒有的。如在提升管和液體在降液管中的氣泡的混合物之間的密度差的緣故，液體循環(huán)的發(fā)展2。氣升式反應(yīng)器優(yōu)于傳統(tǒng)的泡罩塔反應(yīng)器由于定向井液循環(huán)，從而有利于對(duì)剪切敏感的生物的培養(yǎng);作為一個(gè)結(jié)果，這些反應(yīng)器被廣泛用于生物化學(xué)工業(yè)3。氣升式反應(yīng)器流體力學(xué)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和計(jì)算研究了擴(kuò)大規(guī)模和設(shè)計(jì)考慮。在氣升式反應(yīng)器滿度試驗(yàn)是昂貴的，因此，更符合成本效益的方法是通過(guò)使用經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）模型。已經(jīng)有進(jìn)行實(shí)驗(yàn) 4-12 廣泛的研究，并進(jìn)行了計(jì)算 3,8,13 一些研究，提供了一個(gè)更好地了解外部環(huán)流反應(yīng)器流體力學(xué)。 B

4、entifraouine等。 4研究了一種氣 - 液分離器和液體高度上ELALR的全局動(dòng)力學(xué)參數(shù)的影響。該研究顯示，兩個(gè)開口在提升管和降液管之間的最佳連接點(diǎn)能夠加倍液體循環(huán)速度，并降低30的氣含率。 GAVRILESCU和Tudose 6觀察到降液管到提升管的橫截面面積之比影響氣含率由于液體循環(huán)速度的幾何比率的影響。 Merchuk和Stein 7測(cè)得的局部氣含率和液體再循環(huán)率在氣升式反應(yīng)器中，并確定所測(cè)量的液體的流速和氣體流量之間和本地氣體速度和該混合物的總流速之間的關(guān)系。斯內(nèi)普等。 5進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，研究液相性質(zhì)和分布器的設(shè)計(jì)在一個(gè)ELALR的影響，并發(fā)現(xiàn)該朱伯和芬德利漂移流模型適合提升管氣含

5、率數(shù)據(jù)的異質(zhì)流型，但未能預(yù)測(cè)氣含率數(shù)據(jù)的過(guò)渡流動(dòng)制度。 Dhaouadi等。 9 計(jì)算流體力學(xué)和在ELALR傳熱實(shí)效果，并發(fā)現(xiàn)，增加固含率導(dǎo)致了液體的速度和熱t(yī)ransfer.Other研究人員，如Zhang等人的減少。 10及彩12測(cè)量的不同的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和操作條件上的外部環(huán)流反應(yīng)器的流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)的影響。例如， Choi等人 12 發(fā)現(xiàn)增加降液管到提升管的橫截面面積之比增大了液體循環(huán)速度和降液管的氣含率和降低提升管氣含率和混合時(shí)間。對(duì)于計(jì)算研究，兩種方法通常用于鼓泡塔的預(yù)測(cè)是歐拉 - 歐拉模型或歐拉 - 拉格朗日模型。歐拉 - 歐拉模型將分散的（氣泡）和連續(xù)（液）相如互連續(xù)體，并描述在文獻(xiàn)1

6、418歐拉框架氣相和液相的議案。在歐拉 - 拉格朗日模型中，連續(xù)相是在歐拉表示描述，而分散相被視為離散的氣泡，每個(gè)氣泡通過(guò)解運(yùn)動(dòng)方程為單個(gè)氣泡19-21跟蹤。作者22預(yù)viously表明，通過(guò)使用歐拉 - 歐拉twofluid模型，氣含率和氣體速度的預(yù)測(cè)是較好的一致性與文獻(xiàn)報(bào)道的鼓泡塔流實(shí)驗(yàn)，提供適當(dāng)?shù)耐牧髂Ｐ秃途W(wǎng)格分辨率被使用。外部環(huán)流反應(yīng)器采用歐拉 - 歐拉模型 3,8,13 的數(shù)值模擬進(jìn)行了調(diào)查，并沒有發(fā)現(xiàn)文學(xué)上的氣升式反應(yīng)器流體力學(xué)歐拉 - 拉格朗日模擬。 Wang等人。 8 進(jìn)行使用歐拉 - 歐拉方法的圓柱形外循環(huán)氣升式反應(yīng)器的二維穩(wěn)態(tài)模擬和顯示，側(cè)向力和相間動(dòng)蕩對(duì)預(yù)測(cè)流體動(dòng)力學(xué)行為

7、不可忽視的影響。此外，曹等人。 13進(jìn)行的矩形外部環(huán)流反應(yīng)器的三維瞬態(tài)仿真和得到的預(yù)測(cè)動(dòng)力學(xué)參數(shù)和實(shí)驗(yàn)之間良好的一致性，但在高氣體流速制度。 Roy等人。 3 進(jìn)行了圓柱形ELALR三維穩(wěn)態(tài)模擬，發(fā)現(xiàn)在CFD歐拉 - 歐拉預(yù)測(cè)氣含率，液體軸向速度和混合時(shí)間與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的協(xié)議。但應(yīng)注意的是， Wang等人8和Cao等。 13除了數(shù)值模擬進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。在本工作中，在一個(gè)ELALR氣液流動(dòng)動(dòng)力學(xué)在2和3 dimensions.The席勒-瑙曼阻力系數(shù)模型使用CFDLib23是用于模擬的，以及所采用的湍流模型可以是與氣泡的氣泡壓力模型誘發(fā)動(dòng)蕩（BP+比特）24,25或多相K-_模型26,27根據(jù)流動(dòng)制

8、度。適當(dāng)?shù)挠行У臍馀葜睆绞腔趨?shù)化研究，二維和三維模擬的表觀氣速?zèng)Q定。時(shí)間和空間的平均氣含率在提升管和降液管從模擬計(jì)算和比較，以實(shí)驗(yàn)測(cè)量為同一geometry.Predictions為提升管表觀液體速度和體積密度的不同的ELALR也與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較。目的是驗(yàn)證與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的模擬，以確定一組合適的模型參數(shù)和混合比反應(yīng)器的操作模式。2實(shí)驗(yàn)方法在本研究中使用的ELALR的示意圖如圖1所示。該ELALR包括兩個(gè)主要部分，一個(gè)2.4米澆鑄丙烯酸冒口與10.2厘米內(nèi)徑（ID）和一個(gè)2.4米澆鑄丙烯酸降液用2.5cm內(nèi)徑，基于所述橫截面區(qū)域AR= 1的縱橫比/ 16。降液管和立管部分都具有兩個(gè)13.3厘米長(zhǎng)，

9、2.5厘米內(nèi)徑連接丙烯酸管位于H= 5到127厘米，其中H為反應(yīng)器高度曝氣板的上方。最初unaerated液面高度為H142.2厘米（14冒口直徑）的所有實(shí)驗(yàn)。氣體通過(guò)具有被均勻地分布在整個(gè)板面積，以產(chǎn)生2.22的開放區(qū)域比率1毫米直徑的孔的不銹鋼板分配器注入在提升裝置底座。氣體正壓室位于曝氣板塊之下，充滿了大玻璃珠（即大理石），以促進(jìn)氣體均勻分布到立管。提升管和降液管部分的頂部連接在一起，用球閥（閥乙圖1中的），因?yàn)樗鼈冞M(jìn)入塔放空，這允許氣體流動(dòng)的可能性了降液管。的閘閥（圖1中閥A）是安裝在降液管部分的中間，這樣，當(dāng)關(guān)閉時(shí)，ELALR近似于半間歇鼓泡塔。因此，降液管3的配置是可能的并且在本研

10、究中所引用：兩個(gè)降液管閘閥和泄關(guān)閉（BC模式為泡罩塔），所述閘門閥打開，排氣閥關(guān)閉（封閉vent_ CV模式，并且兩個(gè)閘閥口是否打開）OV模式開vent_。兩個(gè)質(zhì)量流量計(jì)，用于測(cè)量氣體流速以覆蓋低和高氣體流速范圍內(nèi)，在那里氣體被過(guò)濾的壓縮空氣。兩個(gè)壓力傳感器被安裝在立管和位于H = 10.2厘米和110.5厘米。的傾斜U形管壓力計(jì)連接到與位于H = 5厘米， 67.13厘米連接降液管部分。該質(zhì)量流量計(jì)和壓力換能器被連接到一個(gè)計(jì)算機(jī)控制的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。平均進(jìn)氣流量和提升板部的壓力是從在1000 Hz.Gas滯留在提升管部分（ _GR ）的頻率取在2秒間隔測(cè)量計(jì)算出被測(cè)量的兩個(gè)壓力傳感器之間，并且

11、從反應(yīng)器中的壓力降來(lái)確定假設(shè)加速度影響可以忽略1。正如由Merchuk和Stein 7 ，加速度通常貢獻(xiàn)不到1 的總氣含率的測(cè)量。在非常高的氣體流速，加速效果將占到總氣含率的2-3 。由于最大表觀氣體速度為20厘米/秒，而忽略加速度的影響是合理的。因此，在該反應(yīng)器中的總壓力降對(duì)應(yīng)于靜水壓頭;在這種情況下，其中_P是在兩個(gè)壓力傳感器的平均局部壓力之間的差值時(shí)Ug_0和_PO是相應(yīng)的平均壓力差時(shí)高層=0（即，該液體靜水壓頭）。氣含率在下降管部（_d）是使用傾斜的U形管壓力計(jì)測(cè)量，并通過(guò)在壓力計(jì)的水柱高度的變化，假設(shè)加速度的影響可忽略不計(jì)測(cè)定。表面液體速度（UL）是跟蹤在本研究中剩余的水動(dòng)力參數(shù)。因

12、為UL不能被直接測(cè)量，它是從線性液體速度（VI）中，氣含率的知識(shí)來(lái)確定。降液管的液體空塔速度（ULD）的測(cè)定使用示蹤技術(shù)測(cè)定的降液管的液體的線速度（VLD）和數(shù)學(xué)關(guān)系，以可測(cè)量的VLD轉(zhuǎn)換為ULD通常完成的。示蹤技術(shù)是基于確定它需要一個(gè)給定的示蹤劑的旅行的一組距離的時(shí)間。對(duì)于這項(xiàng)工作，氯化鉀鹽作為示蹤劑被選中，和導(dǎo)電性的電極，用于測(cè)量它需要一個(gè)注射鹽溶液的旅行過(guò)去的兩個(gè)固定位置在降液管28,29的時(shí)間。的表觀液體速度在下降管（ULD）和立管（ULR）由以下分析計(jì)算關(guān)系1：其中Vld的是三次獨(dú)立實(shí)驗(yàn)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)涉及采取的興趣和_gd氣體速度是對(duì)應(yīng)的降液管的氣含率50 VLD數(shù)據(jù)點(diǎn)的平均值。需要注意

13、的是在50次測(cè)量結(jié)束時(shí)，系統(tǒng)排干，沖洗和再充滿淡水，并且50Vld測(cè)量的平均值通常變化小于2。測(cè)量不確定度估計(jì)繼Figliola和比斯利30提供的方法。與本科有關(guān)的典型的不確定性是_1-5，而對(duì)應(yīng)于最低的速度測(cè)量較大的不確定性。對(duì)應(yīng)的絕對(duì)氣含率的不確定性估計(jì)約為_0.001-0.015。其他實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)可以在別處找到29。3數(shù)值配方3.1控制方程。該代碼CFDLib，在洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室23,31開發(fā)了一種多相仿真庫(kù)，用來(lái)解決在這項(xiàng)研究中兩相流動(dòng)控制方程。雙流體歐拉 - 歐拉模型被用來(lái)表示每個(gè)相作為連續(xù)體的互穿，并且守恒方程質(zhì)量和動(dòng)量的每個(gè)階段都合奏平均。變量_代表無(wú)論是連續(xù)_liquid w

14、ater_相c或分散（氣泡）階段D。相連續(xù)性方程_，而忽略了傳質(zhì)，是相動(dòng)量方程是_其中標(biāo)識(shí)了相位相反。該條款對(duì)等式的右邊。 4表示，從左至右，壓力梯度，有效的剪切應(yīng)力，界面動(dòng)量交換（拖動(dòng)和虛擬質(zhì)量力），以及重力。封閉模型界面動(dòng)量交換和湍流效應(yīng)我們接下來(lái)討論。3.2界面動(dòng)量交換。公式中的界面動(dòng)量交換條件。 4為每個(gè)階段包括阻力和虛擬質(zhì)量力條款。用于氣體（d）和液體的動(dòng)量交換系數(shù)（C）階段被建模為其中CD為阻力系數(shù)。虛擬質(zhì)量力有限體積法模擬成和0.5的系數(shù)被用于球形氣泡32。虛擬海量力模型的質(zhì)量慣性加入到液相的氣泡通過(guò)液體的連續(xù)移動(dòng)。建議席勒和瑙曼風(fēng)阻系數(shù)模型33是落實(shí)到CFDLib，其中，Re=

15、_c_ud-uc_db/_c是根據(jù)一個(gè)特征（有效）氣泡直徑，兩相之間的滑動(dòng)速度，液體密度與液體的動(dòng)態(tài)粘度的氣泡雷諾數(shù)。3.3湍流模型。湍流度的連續(xù)相和分散相是基于由第一柏等人提出的標(biāo)準(zhǔn)的多相的k-_方程的變形形式。 23和由Padial等進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。 27來(lái)計(jì)算湍流在一個(gè)slipproduction能量項(xiàng)的形式，在氣 - 液界面。改進(jìn)的K-_方程式在這里只用于高氣速流動(dòng)，如由文獻(xiàn)22在以往的工作。的方程湍流動(dòng)能和湍流耗散，分別是再次，下標(biāo)_和代表兩個(gè)不同的階段。前三個(gè)方面對(duì)等式的右邊。 8 占湍流動(dòng)能的擴(kuò)散，平均流剪切生產(chǎn)湍動(dòng)能和衰減。這些條款是相同的，出現(xiàn)在單相湍流 34 術(shù)語(yǔ)。公式中剩余

16、的兩個(gè)詞。 8 為生產(chǎn)洶涌能量從階段和湍流能量的階段之間交流之間的滑動(dòng)。前三個(gè)方面對(duì)等式的右邊。 9帳戶的湍流擴(kuò)散，平均流速梯度產(chǎn)生項(xiàng)，并均勻耗散項(xiàng)，分別為。最后一組等式條款。 9 描述了生產(chǎn)湍流耗散的界面動(dòng)量傳遞的效果（參見式（ 5 ） ） 。湍流參數(shù)正在使用K- _湍流模型，標(biāo)準(zhǔn)的經(jīng)驗(yàn)值設(shè)定，其中C1_ = 1.44 ， C2_ = 1.92 ， C_ = 0.09 ， _ = 1.0 ，和_ = 1.3 34 ，進(jìn)一步的細(xì)節(jié)已經(jīng)由律師等討論人。 22。3.4泡沫壓力模型。氣相壓力由動(dòng)能和勢(shì)能壓力的貢獻(xiàn)，這里的動(dòng)壓只在低氣體體積分?jǐn)?shù)或低進(jìn)口氣速35重要的。氣泡動(dòng)力學(xué)壓力表示從所引起的連續(xù)液

17、相，氣泡之間的碰撞，并且氣泡與液體的連續(xù)體之間的流體動(dòng)力學(xué)相互作用氣泡速度波動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)量的輸送。的BP模型指的是氣相的動(dòng)力學(xué)壓力。 Batchelor的35提出的粒子動(dòng)能壓力是基于粒子的速度波動(dòng)為氣 - 固流化床。同樣，Biesheuvel和Gorissen24提出了形式的氣液流氣泡壓力模型梯度DPD/D_D被添加到氣體動(dòng)量方程的右手側(cè)。 （4）當(dāng)_= D。 DPD/的正值D_D充當(dāng)泡沫的推動(dòng)力量，從更高_(dá)D地區(qū)轉(zhuǎn)移到低_D領(lǐng)域，并促進(jìn)了泡狀流政權(quán)的穩(wěn)定。虛擬質(zhì)量系數(shù)的CBP為一個(gè)孤立的球形氣泡為0.5，在這個(gè)分析中使用。氣泡壓力成正比的滑移速度和氣體滯留量。在緊密堆積_dcp的氣含率被設(shè)定為

18、等于在該研究1.0。的BP模型采用與位模式來(lái)獲得數(shù)值穩(wěn)定性和只用于低表觀氣速流（通常是均勻流動(dòng)），如先前由作者22所示。 Sato等人。 25提出了一種位模式成正比的氣泡直徑和上升的氣泡滑移速度，當(dāng)比例常數(shù)CBT的值是0.6。方程18被代入方程8和9時(shí)，位模型被應(yīng)用。該BIT模型產(chǎn)生在液體（連續(xù)相），這是連續(xù)相，并從位模型計(jì)算的湍流粘度的分子粘度的總和的有效粘度，而對(duì)于分散相的有效粘度假定為等于分散相的分子量的粘度。3.5模擬條件。 CFDLib36使用了finitevolume技術(shù)來(lái)集成運(yùn)動(dòng)支配多相流的隨時(shí)間變化的方程。該代碼是基于一個(gè)任意拉格朗日 - 歐拉（ALE）方案，如所述的用Hirt

19、等人。 37。該名稱是指該計(jì)劃的靈活性，這允許網(wǎng)格要么被沿著與所述流體（拉格朗日）移動(dòng)時(shí)，保持在一個(gè)固定的位置（歐拉），或者在另一方式為用戶選擇要移動(dòng)的。該進(jìn)修計(jì)劃，是專門用來(lái)處理在任何速度下流動(dòng)，包括不可壓縮流動(dòng)和高超聲速流動(dòng)，而且它允許多流體和多相計(jì)算流體等多個(gè)領(lǐng)域的標(biāo)記和細(xì)胞（MAC）的任意數(shù)量的方法已在CFDLib被選為模擬不可壓縮的氣液二相流。時(shí)間導(dǎo)數(shù)離散化是一階，和空間導(dǎo)數(shù)的離散化是二階。模擬是使用一個(gè)固定的網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算，并將計(jì)算域被選擇，以匹配實(shí)驗(yàn)conditions.Referring圖。如圖1所示，幾何選自H仿照= 0（正上方的通氣板），以排氣孔B的底部的計(jì)算入口條件假定均勻

20、入口速度UG，它等于淺表入口氣體速度來(lái)近似的實(shí)驗(yàn)條件下大量的均勻分布的孔。無(wú)滑移和流出條件適用于壁和柱的頂部，分別。如果排氣孔是關(guān)閉的，無(wú)滑移條件被應(yīng)用;否則，該流出的條件是用于在出口處的排氣口開氣升式反應(yīng)器中。一種有效的氣泡尺寸分貝，這取決于表觀氣速，用于表示分散的氣相。收斂標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為1_10-8的變化在每一個(gè)因變量的殘差和模擬使用一個(gè)自適應(yīng)時(shí)間步長(zhǎng)，以進(jìn)軍該解決方案邁進(jìn)。流達(dá)到偽穩(wěn)態(tài)后20秒;所有時(shí)間平均包括從20秒結(jié)果到90秒，總共7000實(shí)現(xiàn)。該模擬是在1厘米/秒進(jìn)行5厘米/秒，10厘米/秒，15厘米/秒，20厘米/秒淺表入口氣體速度。4結(jié)果與討論4.1 BC研究。 BC模式仿真進(jìn)行僅

21、售立管塔;如所提到的，在外部循環(huán)氣升式反應(yīng)器近似于半間歇鼓泡塔時(shí)，這兩個(gè)閥A和泄B被關(guān)閉。對(duì)于BC的研究中，計(jì)算模型進(jìn)行測(cè)試，以確定選擇的有效氣泡直徑，湍流模型的影響，和2D與3D domains.The 2D和3D的計(jì)算域所使用的笛卡爾坐標(biāo)系，其中所述的二維域表示模擬了立管的中心平面上。以前由律師等人進(jìn)行鼓泡塔流場(chǎng)模擬進(jìn)行了廣泛的網(wǎng)格精度的研究。 22。在此， 2D模擬使用13,333 singleblock結(jié)構(gòu)單元與_x = 0.408厘米和_z = 0.45厘米，而3D網(wǎng)格使用48,000多塊結(jié)構(gòu)化細(xì)胞_x = 0.40-0.50厘米， _y = 0.40-0.50厘米的細(xì)胞大小的變化，

22、并_z = 0.8厘米在網(wǎng)格邊緣_x和_y躺在水平面上，并_z是在垂直方向上。一個(gè)典型的2D模擬使用平均時(shí)間步長(zhǎng)為0.004 s和0.002 S表示三維模擬。是平均氣含率預(yù)測(cè)的二維和三維模擬與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較，如圖所示。 2，該圖中的誤差棒表示的氣含率測(cè)量的最大的不確定性，并僅示出用于與CFD計(jì)算相關(guān)聯(lián)的情況下，盡管它們適用于所有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)。應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)指出，誤差棒代表在所測(cè)量的氣含率的最大的不確定性，但在大多數(shù)情況下，這種不確定性包括一個(gè)較小的range.The選擇有效的氣泡直徑大小是通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察，其分別為0.4厘米之間引導(dǎo)0.5厘米和變大時(shí)，表面上的入口氣體速度increased.As起點(diǎn)，在二

23、維模擬所使用的有效的氣泡直徑為0.4厘米高層= 1厘米/ 秒，5厘米/秒，和10厘米/秒; DB = 0.5厘米高層= 15厘米/ 秒;和db = 0.6厘米高層= 20厘米/ 秒。表觀氣速指引，湍流模型是合適的;在圖中所示的模擬。 2采用多相K- _模式，除非另有規(guī)定。根據(jù)流態(tài)映射由Shah和Deckwer _38_ ，在10.2厘米直徑的立管的氣 - 液流量可表征為均勻的流動(dòng)（ UG5厘米/ 次） ，過(guò)渡流（ 5_Ug10厘米/ S），或一個(gè)段塞流（ Ug_10厘米/ 次） ，根據(jù)不同的膚淺的進(jìn)氣速度。圖2示出了模擬預(yù)測(cè)的實(shí)驗(yàn)以及在高層=1厘米/ S使用的BP + BIT模型，也就是預(yù)期的

24、均勻流22?？傮w而言，2D的預(yù)測(cè)吻合的實(shí)驗(yàn)，除了在高層=5厘米/ s，它被認(rèn)為是一個(gè)過(guò)渡性的流動(dòng)狀態(tài)38。這兩種湍流模型，對(duì)BP+比特模型和多相K-_模型，在5厘米/ s的氣流速度進(jìn)行了測(cè)試。相比于多相K-_模型BP+比特模型預(yù)測(cè)一個(gè)稍大的氣含率，但既不2D情況比較良好的實(shí)驗(yàn)。另外，用于本科有效氣泡直徑=20厘米/ s是比在實(shí)驗(yàn)中觀察到的更大。這些潛在的錯(cuò)誤的結(jié)果激勵(lì)使用3D域來(lái)確定湍流模型和有效的氣泡直徑如何影響預(yù)測(cè)進(jìn)行模擬。參數(shù)化研究的三維模擬開始尋址使用2D領(lǐng)域的高層= 5厘米/ S中的可憐的預(yù)測(cè)。同時(shí)測(cè)試BP +位模型和第k _模型中，人們發(fā)現(xiàn)，使用BP + BIT中的三維模擬定量地比

25、較與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如圖所示。 2.However ，采用第k _模型的仿真沒有產(chǎn)生穩(wěn)定的溶液，這表明該5厘米/ s的過(guò)渡流是計(jì)算模型非常敏感，如圖Law等人。 22。使用3D模型四個(gè)附加的情況進(jìn)行了模擬。對(duì)于高層= 10厘米/ s時(shí)， 3D模擬underpredicts實(shí)驗(yàn)氣含率。在高層= 15厘米/ s時(shí)，三維仿真稍微用分貝underpredicts實(shí)驗(yàn)= 0.5厘米，而對(duì)于高層= 20厘米/ s時(shí)，模擬略微使用0.6厘米的有效氣泡直徑相比overpredicts測(cè)得的氣含率二維模擬。最后兩個(gè)結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)，采用實(shí)驗(yàn)觀察中的有效氣泡直徑是重要的。在高層=15厘米/ S為二維和三維模擬在曝氣板的上

26、方立管3垂直位置的平均氣含率剖面示于圖3，2D仿真結(jié)果表明隔水相望列，它類似于氣含率趨勢(shì)均勻流更均勻的氣含率。與此相反，三維氣含率訪問更拋物線，預(yù)期此多相流型。此外，氣含率分布與2D和3D模擬增加高度收斂，因?yàn)闅?- 液流動(dòng)變得完全是由3D模擬為BC模式預(yù)測(cè)發(fā)達(dá)。拋物線氣含率分布也與實(shí)驗(yàn)結(jié)果由喬希一致39。4.2 ELALR配置模式。三ELALR模式的比較研究。該模擬是在高層= 10厘米/ 個(gè)二維笛卡爾坐標(biāo)系中進(jìn)行。我們的目的是要了解反應(yīng)器具有不同的降液管的配置操作中的流體動(dòng)力學(xué)。 ，分別為圖4_a_ - 4_c_目前瞬時(shí)氣含率的BC ，CV和OV配置模式。瞬時(shí)氣含率顯示出在液體床的軸向振蕩的

27、所有modes.Note即在軸向方向上觀察到的振蕩轉(zhuǎn)換為橫振蕩，如果垂直位置是固定的，并以時(shí)間序列進(jìn)行記錄。為CV和OV模式，一個(gè)大氣泡區(qū)域被觀察到在降液管中為H = 127厘米橫向連接器的附近。 CV模式，在該排氣口B閉合，使在上部連接器的富含氣體的口袋，因此較高的提升管高度（約H = 190厘米） 。在OV模式，其中兩個(gè)閥A和發(fā)泄B是開放的，允許在降液管中氣泡的形成和流通，從而降低了立管高度。如圖。5和6的簡(jiǎn)歷和OV模式，分別靠近降液管的上部連接類似氣泡的形成進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)觀察，定性與氣含率的CFD預(yù)測(cè)比較好。實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果表明，蜿蜒的氣泡羽流流經(jīng)的簡(jiǎn)歷和OV模式冒口列。在CV模式（圖5）所示

28、，當(dāng)排氣口被關(guān)閉時(shí)，一個(gè)大的氣泡形式在上部連接器附近的降液管和從通過(guò)連接器行進(jìn)，并通過(guò)降液管的上升限制液體。比較圖。 5和6中，氣體氣泡顯著降低時(shí)，排氣口是打開的（OV模式）的連接器附近，此外，在OV模式導(dǎo)致更好的通過(guò)上部連接器混合，由此液體的移動(dòng)和膨脹通過(guò)降液管。這是特別令人鼓舞的是，2D模擬定性比較非常好，圖中的實(shí)驗(yàn)。 5和6，因?yàn)榱黧w動(dòng)力學(xué)是非常復(fù)雜的。4.3 ELALR OV模式研究。二維和三維計(jì)算域模擬為一系列表觀氣速與實(shí)驗(yàn)的外部環(huán)流反應(yīng)器中進(jìn)行比較。的2D域是用7574多嵌段結(jié)構(gòu)的細(xì)胞與_x=0.408-0.50厘米和_Z=0.90至1.25厘米，并在3D域是使用多嵌段結(jié)構(gòu)的細(xì)胞與

29、離散_x=0.408-0.50厘米，_y=0.408-0.50厘米，離散和_z= 1.0厘米由于三維幾何的復(fù)雜性，連接器和降液管被近似為矩形管與2.215_2.215平方厘米的正方形橫截面面積，節(jié)約了實(shí)驗(yàn)的相應(yīng)直徑為2.5厘米的截面積（參照?qǐng)D1）的。圖7比較平均氣含率的二維和三維模擬與實(shí)驗(yàn)在OV模式不同的表觀氣速為ELALR 。的氣泡的直徑被選擇為基于圖中所示的結(jié)果中的每個(gè)入口的氣體速度。 2，預(yù)測(cè)均符合雙方的立管和下降管的實(shí)驗(yàn)，除了3D模擬在高層= 10厘米/ s，這是一個(gè)過(guò)渡性的流動(dòng)狀態(tài)，據(jù)此計(jì)算模型不執(zhí)行以及良好的一致性。對(duì)BP +比特模式被雇用在高層= 1厘米/ s和5厘米/秒，而多相

30、K- _模型采用更高的表觀氣速（參見秒， 3.3和3.4 ） 。作為進(jìn)一步的比較，上升管表觀液體速度示于圖8為模擬和實(shí)驗(yàn)。如圖所示，該三維模擬更好地預(yù)測(cè)冒口表觀液體速度，因?yàn)樗玫夭东@在提升管目視觀察，從而影響了液體提升管速度的復(fù)雜的三維流體動(dòng)力學(xué)。當(dāng)ELALR是在OV模式操作時(shí)， ULR增大到最大值，然后急劇減小本科增大， ULR最終成為獨(dú)立本科的。三液體流動(dòng)狀態(tài)可以被識(shí)別為工作在OV模式： （）的自由流動(dòng)，（）受限流，以及（iii）完全受限制的流動(dòng)。在自由流動(dòng)的制度，大幅ULR與UG，對(duì)應(yīng)的快速上漲_GR和一個(gè)更小的上升_gd （見圖7 ）增加。因此，當(dāng)Ug3.5厘米/ 秒， ULR主要

31、是堆積密度差的函數(shù)，并且這個(gè)觀察同意由他人 6,40-43 給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。Joshi等人。44描述了如何在立管和下降管驅(qū)動(dòng)力的差異可能與液體循環(huán)。當(dāng)松密度差（_GR-_gd）被繪制為ULR的函數(shù)的驅(qū)動(dòng)力和液體循環(huán)之間的關(guān)系變得很明顯。其結(jié)果是，圖9是在確定液體流態(tài)及其轉(zhuǎn)換點(diǎn)有用的。圖9示出了轉(zhuǎn)變，從不受限制的流動(dòng)狀態(tài)，以受限制的流動(dòng)狀態(tài)發(fā)生在Ulr_3.7厘米/ s，這大致對(duì)應(yīng)于氣泡的形成是觀察在downcomer.Increasing本科在受限流動(dòng)狀態(tài)的結(jié)果在該點(diǎn)在ULR的減少和增加容重差異，違背了觀測(cè)的自由流動(dòng)regime.Hence，當(dāng)ULR是流動(dòng)損失，幾何和動(dòng)力的功能，流量損失被認(rèn)為

32、是在主宰流量限制的制度。在限制制度的流動(dòng)損失的主導(dǎo)地位，是因?yàn)楣潭ǖ臍怏w氣泡生長(zhǎng)在降液管，這將導(dǎo)致流量損失隨本科迅速增加。最初，作為固定氣泡開始生長(zhǎng)（3.5 UG5厘米/ s）時(shí)，有效面積比減小，在相當(dāng)于圖中所示的ULR本地最大的降液管創(chuàng)建阻扼流動(dòng)條件。 9，此外，作為本科繼續(xù)增加（5Ug10厘米/ s）時(shí)，氣泡的長(zhǎng)度在靠近上連接器的增加的降液管，直到它到達(dá)其最大長(zhǎng)度在高層=10厘米/ 秒。在此制度固定的氣體氣泡的長(zhǎng)度變化是由于從降液管壁液體分離的增加，堆積密度差異而在降液管的初始流動(dòng)限制的結(jié)果。因此，即使在驅(qū)動(dòng)力的增大，流動(dòng)損失增加更快本科引起ULR下降。從本質(zhì)上講，降液管流成為哽咽。如該圖

33、所示。 8 ， ULR繼續(xù)與本科增加，由于固定的氣體氣泡的發(fā)展和增長(zhǎng)下降，直到最大靜止的氣泡尺寸為止。過(guò)渡是很容易識(shí)別的圖。 9 ，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力變得獨(dú)立ULR （ _2.3厘米/秒） ，這對(duì)應(yīng)于大約高層= 10厘米/ 的S發(fā)生。在這些條件下，在降液管中的液體流動(dòng)被充分堵塞和ELALR流體動(dòng)力學(xué)是相似的鼓泡塔中。一般來(lái)說(shuō)，模擬是在除了在過(guò)渡流態(tài)（例如，高層= 5厘米/ S）與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。三維模擬定量更好地比較與比2D模擬了所有入口氣體速度的實(shí)驗(yàn)。這些結(jié)果闡明采用三維模擬為模擬和實(shí)驗(yàn)圖之間的復(fù)合反應(yīng)器geometry.The好比較的重要性。 9進(jìn)一步肯定了在這項(xiàng)研究中所使用的CFD模型的有效性，

34、特別是當(dāng)系統(tǒng)工作在不同的流態(tài)。5結(jié)論在外部環(huán)流反應(yīng)器的氣 - 液流體動(dòng)力學(xué)是在二維和三維直角與席勒 - 瑙曼風(fēng)阻系數(shù)模型坐標(biāo)使用CFDLib模擬。湍流模型的選擇對(duì)BP +比特或多相K- _模型和參數(shù)研究為適當(dāng)，有效的氣泡直徑進(jìn)行了審議。在氣升式反應(yīng)器中不同的降液管的配置操作的模擬進(jìn)行了研究，并且氣含率進(jìn)行了比較實(shí)驗(yàn)測(cè)量。對(duì)于鼓泡塔模式，二維數(shù)值預(yù)測(cè)同意與實(shí)驗(yàn)，除了在高層= 5厘米/ s，它被認(rèn)為是一個(gè)過(guò)渡性的流動(dòng)狀態(tài)。在模擬中使用的有效的氣泡直徑被認(rèn)為是接近實(shí)驗(yàn)觀察（內(nèi)0.4厘米和0.5公分） ，而當(dāng)一個(gè)三維域被執(zhí)行的仿真這個(gè)概念被進(jìn)一步證實(shí)?？梢缘贸鼋Y(jié)論，在執(zhí)行2D和3D仿真時(shí)，必須謹(jǐn)慎，指

35、定有效的氣泡直徑時(shí)考慮，尤其是在高流速。在一個(gè)開放的發(fā)泄方式被發(fā)現(xiàn)的ELALR類似的調(diào)查結(jié)果為氣泡直徑和湍流模型。的氣泡的直徑增加，表觀氣速增加的ELALR，這定性地對(duì)應(yīng)于實(shí)驗(yàn)observations.Three液體流動(dòng)狀態(tài)為無(wú)限制，限制，并且完全受限制的流動(dòng)是由氣泡在上部連接器，這是一個(gè)附近的降液管產(chǎn)生功能膚淺進(jìn)氣速度?？偫ǘ?，3D外部環(huán)流反應(yīng)器模擬比較良好，尤其是對(duì)于立管表觀液體速度的實(shí)驗(yàn)相比，對(duì)應(yīng)的二維模擬。這一觀察結(jié)果表明，通過(guò)三維模擬拍攝的方位流改善，實(shí)驗(yàn)的數(shù)值預(yù)測(cè)。承認(rèn)作者謹(jǐn)向他們贊賞計(jì)算設(shè)施在弗吉尼亞理工學(xué)院和州立大學(xué)的計(jì)算機(jī)和技術(shù)支持。命名法希臘字母標(biāo)參考文獻(xiàn)_1_堤， MY

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