高Schmidt數(shù)下噴射器內(nèi)湍流反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究和多尺度模擬.pdf

1、化工裝置中的反應(yīng)過程通常都是在湍流狀態(tài)下進(jìn)行的，反應(yīng)物之間混合的好壞和混合速度的快慢對反應(yīng)的收率和選擇性具有重要的影響。噴射器作為一種新型的具有高強(qiáng)度混合效果的反應(yīng)器型式，在石油、化工、環(huán)保、制藥等領(lǐng)域發(fā)展迅速，已有廣泛應(yīng)用。然而，由于噴射器內(nèi)湍流反應(yīng)過程的復(fù)雜性和多尺度性，目前對其研究還很不充分，設(shè)計(jì)和放大都基本依靠實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行。本文對高Schmidt數(shù)下噴射器內(nèi)湍流反應(yīng)過程這一復(fù)雜問題進(jìn)行了研究，通過尺度理論分析、面激光誘導(dǎo)熒光(Pl

2、anarlaserinducedfluorescence，PLIF)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算流體力學(xué)(Computedfluiddynamics，CFD)模擬相結(jié)合的方法，對湍流反應(yīng)過程中涉及的宏觀混合、微觀混合、反應(yīng)過程及其之間的相互作用對噴射反應(yīng)器性能的影響進(jìn)行了探討。 一、利用尺度理論對高Schmidt數(shù)下噴射器內(nèi)湍流反應(yīng)過程進(jìn)行了分析，計(jì)算了通常情況下湍流反應(yīng)所涉及的宏觀混合、介觀混合、微觀混合和反應(yīng)過程的特征時(shí)間尺度，初步獲得了湍流

3、反應(yīng)過程各特征時(shí)間之間的相互關(guān)系，為反應(yīng)器的初步設(shè)計(jì)和詳細(xì)計(jì)算提供依據(jù)。 二、利用PLIF技術(shù)對不同操作條件下噴射器內(nèi)物料的宏觀混合情況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，利用離析度的概念對混合狀態(tài)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明噴嘴速度和引射流速度對混合效果作用相反，而二者流速比越大，混合效果越好，同一流速比下，絕對速度越大，混合效果越好。利用PLIF實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對三種不同的湍流模型：標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、重整化k-ε模型和可實(shí)現(xiàn)k-ε模型進(jìn)行了比較，結(jié)果顯示重整化k

4、-ε模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相差較大，而標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型和可實(shí)現(xiàn)k-ε模型均能獲得較好的結(jié)果。 三、借助于渦破碎(Eddybreak-up，EBU)模型，利用酸堿反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率來表征宏觀混合情況，在避免了EBU模型模擬反應(yīng)過程不準(zhǔn)確缺點(diǎn)的同時(shí)，考慮了反應(yīng)對混合過程的反作用。利用此模型對不同操作參數(shù)、不同結(jié)構(gòu)尺寸下噴射反應(yīng)器內(nèi)的宏觀混合進(jìn)行了分析，并進(jìn)一步討論了噴射器的放大規(guī)律。結(jié)果表明： 1.擴(kuò)散角度越小，噴射反應(yīng)器內(nèi)流體混合越好，相

5、同截面上轉(zhuǎn)化率越高，但是同時(shí)噴射器的阻力也越大；噴嘴/混合段直徑比存在一個(gè)最優(yōu)值，大于該值則噴射反應(yīng)器相同截面上轉(zhuǎn)化率變低，而小于該值則會(huì)消耗更多的能量但轉(zhuǎn)化率不會(huì)再提高；噴嘴出口離混合段距離越遠(yuǎn)，反應(yīng)越快完成，噴嘴出口位置與吸入口流體管中心在同一平面時(shí)反應(yīng)效果最好。 2.根據(jù)速度相似原則和雷諾數(shù)相似原則放大的噴射反應(yīng)器不能滿足要求，而同時(shí)提高入口速度和改變結(jié)構(gòu)尺寸可以得到滿足放大要求的噴射反應(yīng)器。噴射反應(yīng)器最佳的速度比隨著基準(zhǔn)

6、情況下流速的增加和噴嘴直徑的增加而增大，并利用模擬數(shù)據(jù)回歸出了放大前后的噴射器入口流速比與基準(zhǔn)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)尺寸和流速的關(guān)系。 四、利用宏觀混合分?jǐn)?shù)方差和微觀混合分?jǐn)?shù)方差來定量的表征宏觀混合和微觀混合狀態(tài)，對噴射器內(nèi)的湍流混合進(jìn)行了多尺度模擬和研究，并計(jì)算出了達(dá)到完全混合所需要的特征混合時(shí)間。對不同操作條件下的多尺度混合情況進(jìn)行了模擬計(jì)算和分析。結(jié)果表明，在引射流速度不變的情況下，增加噴嘴速度，可以降低達(dá)到完全混合所需要的時(shí)間；在噴

7、嘴速度不變的情況下，增加引射流速度，可以增加達(dá)到完全混合所需要的時(shí)間；在噴嘴和引射流速度比不變的情況下，增加兩者絕對速度，可以降低達(dá)到完全混合所需要的時(shí)間；在本文所研究的情況下，噴射反應(yīng)器內(nèi)湍流混合過程由微觀混合控制。 五、通過矩直接積分(Directquadraturemethodofmoments，DQMOM)模型對典型的平行-競爭反應(yīng)體系在噴射反應(yīng)器內(nèi)湍流反應(yīng)過程進(jìn)行了模擬研究，結(jié)果顯示： 1.DQMOM模型可以正

8、確的對噴射器內(nèi)湍流混合與反應(yīng)之間的相互關(guān)系進(jìn)行模擬，可以直觀的給出噴射器內(nèi)不同位置的反應(yīng)混合情況，為反應(yīng)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。 2.在引射流速不變的情況下，噴射反應(yīng)器隨著噴嘴速度的增加混合效果越來越好，達(dá)到完全混合所需要的時(shí)間越來越短，平行-競爭反應(yīng)的選擇性越來越高，副反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率越來越低；在固定噴嘴流速的情況下，噴射反應(yīng)器隨著引射流體速度的增加混合效果越來越差，達(dá)到完全混合所需要的時(shí)間越來越長，平行-競爭反應(yīng)的選擇性越來越低，