挡板型管式振荡流反应器流场非对称性的数值研究

论文摘要

在挡板型管式反应器内引入振荡流动能够在宽广的净流率范围里显著强化动量、热量和质量传递过程,并能对轴向返混现象进行良好的控制。由于绝大多数发表的研究工作都是基于二维模拟技术,因此人们对于这一流动过程的三维场结构知之甚少。 本文对实验观察到的挡板型管式反应器中振荡流场的非对称现象进行了系统的三维数值模拟研究。研究工作采用了层流和湍流两类模型,覆盖了100～5000的振荡雷诺数(Re_o)范围。在模拟中发现,对于完全对称的边界条件,流场从轴对称模式过渡到非对称模式的转变依赖于模拟计算所采用的数值技术:采用结构化网格进行计算时发生转变的起始Re_o远大于采用非结构化网格时。实验过程中发生的转变现象的起始点依赖于模拟所采用的数值技术,这显然是不合理的。基于模拟研究结果,我们推论:在对称边界条件下数值模拟中所出现的流场非对称性来源于计算误差的非对称积累,而在实验过程中所观察到的非对称性则源自于实验装置几何结构上不可避免地存在的轻微非对称性。为了考察此类轻微非对称性的影响作用,本文采用变时间步长的有限体积元法及结构化网格研究了挡板偏心度和振荡边界倾斜度的影响效果。结果表明,无论是在层流态还是在湍流念,以上两个因素对流动模式的非对称性都具有明显的影响。

论文目录

• 第一章 前言
• 第二章 文献综述
• 2.1 OFM的研究历史及现状
• 2.1.1 OFM概述
• 2.1.2 OFM的应用及发展
• OFM在粒子悬浮及分离工艺中的应用
• OFM在絮凝工艺中的应用
• OFM在化学反应器中的应用
• 2.2 CFD概述及数值方法
• 2.2.1 CFD及其应用
• 2.2.2 理论基础
• 2.2.3 CFD工具
• 2.3 OFM的数值模拟研究
• 第三章 数值方法和模拟过程
• 3.1 几何构型的依据
• 3.2 网格系统的构建
• 3.2.1 结构化网格系统的构建
• 3.2.2 非结构化网格系统的构建
• 3.3 三维流场的有限元分析
• 3.3.1 控制方程
• 3.3.2 边界条件与初始条件
• 3.3.3 数值方法
• 3.3.4 求解过程
• 3.4 结果的处理方法
• 3.5 非对称性的研究方法
• 3.5.1 非对称边界条件
• 3.5.2 非对称性表征
• 第四章 模拟结果与分析
• 4.1 两种不同网格系统下的模拟结果
• 4.1.1 非结构化网格系统的模拟结果
• 4.1.2 结构化网格系统的模拟结果
• 4.1.3 结果分析和比较
• 4.2 非对称边界的影响
• 4.2.1 挡板偏心度的影响
• 4.2.2 振荡边界倾斜度的影响
• 第五章 结论
• 致谢
• 参考文献