矩形斜板湿法除尘塔气液两相流数值模拟

第31卷第1期2004年北京化工大学学报JOURNAL OF BEI J IN G UN IV ERSIT Y OF CHEMICAL TECHNOLO GYVol.31,No.12004大型筛板塔上两相湍流的数值模拟郭英锋　刘　辉3　陈标华　李成岳(北京化工大学可控化学反应科学与技术基础教育部重点实验室,北京　100029)摘　要:运用CFD 数值模拟方法,建立了大型筛板塔塔板上气液两相流双流体模型,数值求解了三维速度场分布。

文中应用κ2ε模型封闭雷诺方程,构成了二方程湍流模型,附加关系采用了修正GRACE 相间曳力模型。

CFD 模拟结果与实验值进行了对比,真实地反映了塔板上三维混乱的流体力学特性,并揭示了液相的回流现象。

关键词:CFD ;筛板塔;双流体模型;速度场;湍流模型中图分类号:TQ05313收稿日期:2003204228基金项目:国家“973”计划资助项目(G 2000048006)第一作者:男,1977年生,硕士生3通讯联系人E 2mail :hiu @引　言气液接触设备广泛地应用于工业生产中,筛板塔因其结构相对简单,操作费用低及热传递性好等特点,一直受到人们的关注。

对于筛板塔的研究,主要是考察操作参数(气液流量)、塔板的几何结构(直径、堰高、堰长、开孔半径、开孔率和鼓泡面积等)与塔板上气液两相的流体力学特性以及塔板效率的相互关系。

为此,国内外已进行了大量的塔板流场实验测定工作[122]。

近年来,用CFD 模拟筛板塔上的流体力学性能是一个新的发展方向。

Mehta 等人[3]利用求解连续相2液相的时均质量和动量方程,分析了塔板上液相的流体流型,对于气相分散的影响,只在动量方程加上经验关联系数。

Yu 等[4]应用单相流的湍流理论,模拟了两相流在二维方向的流动,主要描述是液相流动特性,在模型中只计入气相穿过塔板对液相流动产生的阻力,并未涉及气液两相复杂的相互作用。

Fischar 和Quarini [5]模拟过气液两相的三维流动状况,他们假定相间曳力因数为一常数0144。

冶金过程中的气液两相流模拟冶金过程是指将金属或金属化合物通过熔炼、分离、成型等工艺手段进行加工和提纯的过程。

在这个过程中，气液两相流是一种常见的现象，它对冶金过程的经济性、效率和产品质量有着重要影响。

因此，对冶金过程中的气液两相流进行模拟具有重要意义。

本文将介绍冶金过程中气液两相流模拟的方法、应用和未来发展。

冶金行业是国民经济的重要支柱产业，它涉及到国家经济发展的方方面面。

随着科技的不断进步和市场竞争的加剧，冶金企业需要不断提高自身的技术水平和生产效率，以适应市场的需求。

气液两相流作为冶金过程中的一个重要环节，对其进行精确模拟对于提高冶金过程的经济性和效率具有重要意义。

气液两相流模拟在冶金过程中主要是通过计算机模拟技术和物理模型来实现的。

其模拟的原理主要是根据流体力学、热力学和传质动力学等基本原理，建立数学模型，通过数值计算方法求解，得到气液两相流的流动特性、传热传质规律等信息。

在冶金过程中，气液两相流的产生原因主要是由于熔融金属中存在气泡或者喷淋液体时产生液体流动。

通过对气液两相流进行模拟，可以了解流动状态对冶金过程的影响，并为企业优化工艺参数、改进设备提供理论依据。

气液两相流模拟在冶金过程中的应用主要涉及以下几个方面：优化工艺参数：通过模拟气液两相流的流动状态，可以优化冶金过程的工艺参数，例如气泡大小、液体流量等，以提高冶金效率和经济性。

设备和管道设计：通过对气液两相流模拟，可以优化设备和管道的设计，减少流动阻力、提高传热效率，从而降低能耗和生产成本。

产品质量预测：通过模拟气液两相流的传质过程，可以预测产品的质量，为企业进行生产控制和产品质量检测提供依据。

在实验方面，气液两相流模拟的实验流程主要包括以下几个步骤：实验准备：选择合适的实验材料和设备，设计实验方案和操作流程。

数据采集：通过测量仪器和设备采集气液两相流的流动特性、传热传质规律等数据。

数据分析：对采集到的数据进行整理、分析和处理，得到气液两相流的流动特性和冶金过程的优化方案。

气液两相流数值模拟方法的研究与应用气液两相流是指同时存在气体和液体的复杂流动现象，广泛存在于自然界和工业生产中，如瀑布、波浪、化工反应器、石油开采等。

气液两相流的研究对于理解和控制这些现象、提高生产效率和安全性具有重要意义。

数值模拟是研究气液两相流的有效方法。

相比于实验方法，数值模拟的优势在于能够获得更多的细节信息和精确数据，同时也可以极大地降低成本并避免实验过程中的危险性和不确定性。

本文将介绍气液两相流数值模拟的方法，及其应用领域和未来挑战。

一、数值模拟方法1. 传统方法传统方法通常采用两相流模型，基于欧拉方程求解。

由于气液两相流的复杂性，这种方法常常涉及到多个物理场的耦合和相互作用，如热传递、质量传递、化学反应、多相流动力学等。

因此，该方法具有计算量大、计算时间长、计算结果不精确等缺点。

2. 基于LBM的方法LBM（lattice boltzmann method）是一种介观尺度（宏观与微观之间的中间尺度）数值模拟方法，可以直接模拟流体内部微观运动方式，适用于模拟多相流动现象。

这种方法是根据Boltzmann方程建立的，通过碰撞模型模拟流体分子的运动，以此获得整个流场在不同时间的状态。

该方法具有计算速度快、模拟精度高、易于建模及可扩展性等优点。

3. 基于CFD的方法CFD（computational fluid dynamics）是指应用计算机数值方法对流体流动进行模拟和分析的工程技术。

CFD方法通过建立流动场的数学模型并采用数值求解方法进行计算，从而得到流场的物理或数学解。

这种方法在气液两相流领域中也得到了广泛应用。

4. 其他方法此外，还有一些其他的数值模拟方法，例如基于粒子方法的SPH（smoothed particle hydrodynamics）和DEM（discrete element method）等。

这些方法基于不同的假设和算法，都有各自的优缺点，在不同的气液两相流应用场景中发挥着重要的作用。

湿法烟气处理喷淋塔内流场的数值模拟
李恋;李录芬;杨仲曹;张侠挺;沙策
【期刊名称】《化工与医药工程》
【年(卷),期】2022(43)6
【摘要】以某项目湿法烟气处理喷淋塔为研究对象,利用Ansys Fluent软件对塔内的气液两相流进行了数值模拟。

分析了喷淋塔结构及运行参数对塔内流场的影响,结果表明:喷淋浆液具有整合流场的作用,有利于气液两相间的传质换热;入口角度对远离入口端的壁面附近流场具有较大影响,不宜设置过小,在75°时,塔内流动比较稳定,流速均匀;喷淋液滴粒径的大小对其在塔内停留时间具有较大影响,在过小时容易使液滴进入烟道,宜设置在1.5~2mm之间;喷淋液滴速度对烟气流场具有改善作用,当液滴速度达7m/s时可减少烟气回流区,提高塔内空间利用率。

【总页数】5页(P19-23)
【作者】李恋;李录芬;杨仲曹;张侠挺;沙策
【作者单位】浙江安防职业技术学院
【正文语种】中文
【中图分类】X701
【相关文献】
1.湿法烟气双入口脱硫喷淋塔内烟气流场的数值模拟
2.湿法烟气脱硫(WFGD)喷淋塔内烟气流场的数值模拟研究
3.双面对切进口结构的湿法烟气脱硫喷淋塔内流场
的数值模拟和实验研究4.烟气湿法处理喷淋塔内流场的数值模拟研究5.湿法烟气脱硫喷淋塔内气液流场的数值模拟
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气液两相流数值模拟及应用气液两相流是指在某些现象或工艺中，气体和液体同时存在，相互作用，形成的复杂流动状态。

气液两相流在自然界和工业生产中都有广泛的应用，如气液动力学、船舶工程、石油化工、水力学、管道输送等。

数值模拟技术是研究气液两相流的有效方法之一，可通过数学模型描述气液两相流的运动规律，预测流体在各种复杂工况下的运动状态，为各个领域的工程问题提供了重要的参考和解决方法。

一、气液两相流的特点气液两相流的特点是复杂性和多变性。

气液两相流的物性参数（如密度、粘度等）随着相体积分数的变化而变化，在不同的压力、温度和流速下具有不同的特性，且颗粒大小和形状不同，流动形态和动态行为也各异。

正因为如此，对气液两相流的数值模拟需要考虑诸多的参数和影响因素，同时需要选择合适的数值模型、计算方法和数值算法。

二、数值模拟的方法数值模拟方法包括欧拉方法和拉格朗日方法。

欧拉方法适合于模拟流体的宏观运动，它将流场用网格剖分成小单元，并在每个单元上建立流体的宏观性质方程，求解这些方程，得到流场的解析结果。

欧拉方法适合于模拟气体简单的流动情况，但对于气液两相流就显得有些困难，因为在气液两相流中液滴和气泡的运动轨迹是不确定的，欧拉方法不能很好地描述它们碰撞和合并的过程，因此需要采用拉格朗日方法。

拉格朗日方法则选择一类代表性粒子（或液滴、气泡）的轨迹，并得到这些粒子的位置、速度和加速度等参数，再利用统计学方法推导出流场的宏观性质。

它的主要问题是计算代价较大，在大规模气液两相流模拟中会遇到实际的难点和困难。

三、应用实例气液两相流的应用实例主要集中在以下几个方面：1. 混合气气动特性的研究在飞行器、火箭等领域中，气液两相流的复杂性和多变性表现为物体的气动特性的变化，主要是由于流体的惯性和相互作用之间的复杂关系。

2. 溢流油井泄漏在石油生产过程中，由于机械故障或人为操作不当等原因，可能导致油井中的压力失控，引起油气、水等溢出，形成泄漏。

水力学聚焦微通道中气液两相流动的数值模拟吕建华;李品;高梦璠;殷明海【摘要】The gas-liquid two-phase flow in the hydrodynamically focused microchannels was investigated via computational fluid dynamics (CFD) method. Film was formed in the micro-channels and the film formation process included three stages. Surface pressure, shear stress force and surface tension force were changed during the film formation process. The effects of two-phase pressure change on the two-phase flux and film thickness were investigated. The results of numerical simulation showed that the pressure changing had little influence with constant two-phase pressure ratio at 1, while changing the ratio showed the significant influence.%采用计算流体力学方法,考察了水力学聚焦微通道中气、液两相的流动状态.气、液两相在微通道中呈膜状流动,成膜过程可划分为 3 个阶段,液相表面压力、黏性力和表面张力在该过程中不断变化.考察了两相入口压强对两相流量和膜厚的影响,模拟结果显示:保持两相压强比值不变,同时改变两相压强,影响不显著;改变两相压强比值,影响显著.【期刊名称】《化工学报》【年(卷),期】2015(066)009【总页数】7页(P3398-3404)【关键词】计算流体力学;水力学聚焦;两相流;微通道【作者】吕建华;李品;高梦璠;殷明海【作者单位】河北工业大学化工学院,天津 300130;河北工业大学化工学院,天津300130;河北工业大学化工学院,天津 300130;河北工业大学化工学院,天津300130【正文语种】中文【中图分类】TQ021.1自20世纪90年代以来，微化工系统因其传质传递速率快、安全性高、集成度高、可控性强、放大效应小以及过程节能等优点[1]逐渐成为研究的热点。

矩形斜板湿法除尘塔气液两相流数值模拟李彩亭;李思民;曾光明;李珊红;王大勇;王飞【期刊名称】《湖南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2008(035)005【摘要】以自主研制的矩形斜板湿法除尘塔为物理模型,采用CFD(计算流体力学)软件Fluent对塔内三维气液两相的流场进行了数值模拟.计算中气相采用标准k-ε湍流模型,液相采用拉格朗日离散相模型,液滴的壁面行为采用壁面液膜模型.结果表明:矩形斜板除尘塔能有效地增大气液接触面积,增强气液扰动,延长气体在塔内的停留时间;在塔体的进口区域会出现烟气冲壁和液滴冲壁的现象;在进气管一侧的塔体顶部会出现流动死区;喷淋液体对气场有一定的整流作用,在喷嘴处可以观察到气体卷吸的现象;增大进口烟速,可增大液滴在塔内的充满度,但同时会出现液滴夹带的现象.最后,在不同气速,不同的液气比下对塔内的压力损失进行了实验验证,实验值与模拟值吻合较好.【总页数】4页(P72-75)【作者】李彩亭;李思民;曾光明;李珊红;王大勇;王飞【作者单位】湖南大学,环境科学与工程学院,湖南,长沙,410082;湖南大学,环境科学与工程学院,湖南,长沙,410082;湖南省环境保护科学研究院,湖南,长沙,410004;湖南大学,环境科学与工程学院,湖南,长沙,410082;湖南大学,环境科学与工程学院,湖南,长沙,410082;湖南大学,环境科学与工程学院,湖南,长沙,410082;湖南大学,环境科学与工程学院,湖南,长沙,410082【正文语种】中文【中图分类】X701【相关文献】1.垂直上升矩形流道内气液两相流流型图的数值模拟 [J], 赵艳明;潘良明;张文志2.矩形截面螺旋管内气液两相流型转换数值模拟 [J], 周云龙;张立彦3.新型湿法除尘系统内气液两相流动的数值模拟 [J], 许浩洁;王军锋;王东保;张伟;姚江4.脱硫吸收塔深度除尘气液两相流数值模拟研究 [J], 蒋楠;厉雄峰;葛春亮;刘文榉;李晨朗;王先董5.除尘脱硫装置气液两相流场的数值模拟 [J], 王晓瑾;彭炯;陈晋南;薄以匀;齐金彦;庄德安因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

第52卷第3期2021年3月中南大学学报(自然科学版)Journal of Central South University (Science and Technology)V ol.52No.3Mar.2021气液两相射流表面清洗流场数值模拟时凤霞1，赵健2，孙晓光3，尹海亮2(1.中国石油大学胜利学院油气工程学院，山东东营，257061；2.中国石油大学(华东)东营科学技术研究院，山东东营，257061；3.中石油煤层气有限责任公司忻州分公司，山西太原，030000)摘要：为了研究节能高效的油管表面清洗技术，基于计算流体力学方法，应用Fluent 软件建立气液两相射流清洗三维物理模型，模拟研究气液两相射流速度场和压力场特性，分析喷嘴锥度、气体体积分数、喷射速度和喷距等射流参数对清洗效果的影响规律。

研究结果表明：当气体体积分数为7.4%、喷嘴喷射速度为265m/s 时，两相射流速度较纯水射流提高14.2%，气泡通过喷嘴瞬时的射流速度较纯水射流提高221%。

气液两相射流经过喷嘴速度迅速增大到最大值，并出现“等速核”形状，从等速核逐渐向外扩展，速度逐渐减低。

两相射流从喷嘴喷出后，射流压力逐渐降低，压能逐渐转换为动能，在距离壁面约1/7喷距处，压力开始以球形向内逐渐增大，在壁面驻点处达到极大值；随喷嘴收缩段锥度增加，射流最大速度逐渐增大，收缩段锥度为3.5时，等速核最长；随着气体体积分数增加，最大射流速度逐渐增大，气体体积分数大于7.4%时，等速核长度基本不变；随喷射速度增大，流场内最大速度和等速核长度不断增加，射流冲击能量更高；随喷距增大，射流冲击壁面的压力逐渐减小，喷距小于5倍喷嘴直径时，冲击效果较好。

气液两相射流比纯水射流的清洗作用面积提高24.7%，清洗效率更高。

关键词：气液两相射流；表面清洗；计算流体力学；射流参数；数值模拟中图分类号：TE35文献标志码：A开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号：1672-7207（2021）03-0960-11Numerical simulation of surface cleaning flow field for gas-liquidtwo-phase jetSHI Fengxia 1,ZHAO Jian 2,SUN Xiaoguang 3,YIN Hailiang 2(1.College of Oil and Gas Engineering,Shengli College China University of Petroleum,Dongying 257061,China;2.Dongying Academy of Science and Technology,China University of Petroleum (China East),DOI:10.11817/j.issn.1672-7207.2021.03.027收稿日期：2020−04−20；修回日期：2020−07−10基金项目(Foundation item)：山东省自然科学基金资助项目(ZR2016EL10，ZR2019MB022)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(18CX02106A,19CX02063A)；山东省重点研发计划(2018GSF116005)(Projects(ZR2016EL10,ZR2019MB022)supported by the Natural Science Foundation of Shandong Province;Projects(18CX02106A,19CX02063A)supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities;Project(2018GSF116005)supported by Key Research and Development Plan of Shandong Province)通信作者：赵健，博士后，讲师，从事射流破岩钻井技术等研究；E-mail:****************.cn引用格式：时凤霞,赵健,孙晓光,等.气液两相射流表面清洗流场数值模拟[J].中南大学学报(自然科学版),2021,52(3):960−970.Citation:SHI Fengxia,ZHAO Jian,SUN Xiaoguang,et al.Numerical simulation of surface cleaning flow field for gas-liquid two-phase jet[J].Journal of Central South University(Science and Technology),2021,52(3):960−970.第3期时凤霞，等：气液两相射流表面清洗流场数值模拟Dongying257061,China;3.Petrochina Coalbed Methane Company Limited Xinzhou Company,Taiyuan030000,China)Abstract:In order to study the saving and efficient cleaning technology of oil pipe surface,a three-dimensional physical model of gas-liquid two-phase jet cleaning was established with fluent software based on the computational fluid dynamics method.Velocity and pressure characteristics of the flow field with gas-liquid two-phase jet were simulated.The influence of jet parameters such as nozzle taper,gas volume fraction,jet velocity and spray distance on cleaning effect was analyzed.The results show that the velocity of gas-liquid two-phase jet is14.2%higher than that of waterjet when the gas volume fraction is7.4%and the jet velocity of nozzle is265m/ s.In particular,the jet velocity can increase by221%when the bubbles pass through the nozzle.The jet velocity increases rapidly to the maximum value and the shape of"constant velocity core"appears when gas-liquid two-phase jet passes through the nozzle.The jet velocity gradually decreases with the increase of distance from constant velocity core.After the two-phase jet is ejected from the nozzle,the jet pressure decreases gradually and pressure energy is gradually converted into kinetic energy.Pressure gradually increases in the form of a sphere at the position of about1/7jet distance from the wall.Pressure reaches the maximum at the stagnation point of the wall.With the increase of nozzle contraction section taper,the jet maximum velocity gradually increases.As the taper has the value of3.5,the length of constant velocity core is the longest.As the gas volume fraction increases, the jet velocity increases gradually.While the gas volume fraction is bigger than7.4%,the length of constant velocity core remains the same.With the jet velocity increasing,the maximum velocity and the length of constant velocity core increase continuously.Therefore,the impact energy of jet is higher.When spray distance increases, pressure of jet impacting on the wall decreases gradually.The impact effect is better when spray distance is lower than5times the nozzle diameter.The cleaning area of gas-liquid two-phase jet is24.7%higher than that of water jet.Gas-liquid two-phase jet has higher cleaning efficiency.Key words:gas-liquid two-phase jet;surface cleaning;computational fluid dynamics;jet parameters;numerical simulation油管是油气资源开采必不可少装备之一，在油气开采过程中起着非常重要的作用，用量多，成本高。

气液两相流的数值模拟研究一、前言气液两相流在化工、石油、医药、环境等领域有着广泛的应用。

受复杂流体力学问题和实验难度大的限制，气液两相流的数值模拟成为研究的主要手段之一。

本篇文章将探讨气液两相流数值模拟的现状和发展方向。

二、气液两相流模型气液两相流的数值模拟是指通过计算机数值模拟方法对气液两相流的过程进行计算预测的过程，模型选择和建立是数值模拟的关键环节之一。

1.流体动力学模型流体动力学模型主要考虑流场的宏观特性，流体视为连续介质，方程组包括质量守恒、动量守恒和能量守恒等方程。

此模型适用于微尺度气泡和液滴数较少的情况。

2.多相流动模型多相流动模型将气液两相作为两种不同的物理介质，其流动是非连续性的，不同于单相流动模型，需要考虑多个相之间流动的交互作用。

常用的多相流动模型有界面追踪法、Euler-Euler方法、Euler-Lagrange方法等。

3.离散元模型离散元模型主要考虑颗粒间相互作用，颗粒被视为刚体，通过颗粒间作用力学来描述粒子移动、碰撞、断裂等运动过程。

此模型适用于凝聚、粘附、颗粒运动较多的气液两相流。

三、气液两相流数值模拟方法气液两相流的数值模拟方法有多种，以下为常用的数值模拟方法。

1.有限体积法有限体积法将流场分为小的控制体，以格子中心的物理量来表示流场特征，并通过有限差分方式离散处理控制体边界，二次精度和高精度的算法可以在模拟气液两相流时减少精度误差。

2.有限元法有限元法将计算区域分解为无限小的单元，用连续物理场的试验函数来描述流场，通过离散计算相邻单元之间的交互作用来求解流场。

此方法适用于多物理场耦合问题。

3.格子Boltzmann方法格子Boltzmann方法将流体粒子离散在格子上，通过Boltzmann方程来描述流体的运动，通过背反演逆过程将宏观流场转换为微观状态，再根据微观状态模拟宏观流场，其有优秀的高精度和高效性能，但对于多相流有一定局限。

四、气液两相流数值模拟的进展气液两相流数值模拟在几十年的发展中，已经得到了较大的进展，但仍有一些问题亟待解决。

筛孔塔板气液两相流动的速度场模拟
袁希钢;尤学一
【期刊名称】《化工学报》
【年(卷),期】1995(046)004
【摘要】由于气体的搅动,筛孔塔板上的流动是极其复杂的气液两相流。

目前两相流理论尚不成熟,未见运用此理论对塔板流速场的研究报道,Zhang和Yu的研究虽考虑了气相对液相流动的影响,但由于利用单相流理论,计算结果与实际情况有较大偏差。

本文利用Elghobashi等建立的两相流双流体模型,建立了塔板上气液两相流二维流速场计算模型。

在此基础上,通过调整模型参数,考虑了液层高度对塔板上返流区二维流型的影响,建立了模型参数值与液层高度的关系,实现了考虑液层高度影响的二维流动——拟三维流动的模拟。

计算结果与Porter的实验结果基本相符。

【总页数】5页(P511-515)
【作者】袁希钢;尤学一
【作者单位】不详;不详
【正文语种】中文
【中图分类】TQ051.894
【相关文献】
1.筛孔塔板气液两相流流场的数值模拟 [J], 刘德新;李鑫钢;徐世民
2.旋流塔板气液接触状态及塔板压降 [J], 顾永祥;谭天恩
3.柱状气液旋流器压力场和速度场模拟分析 [J], 蒋明虎;尤佳丽;王震;马波;赵立新;
李枫
4.筛孔塔板漏液操作状态下气液两相流场的CFD模拟研究 [J], 孙玉春;涂郑禹;夏君;宋翔
5.筛孔塔板上气液流动及传质过程的数值模拟 [J], 刘春江;成弘;袁希钢;余国琮因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

2012年4月Water Conservancy Science and Technology and Economy Apr.，2012［收稿日期］2011－12－19［基金项目］国家自然科学基金(51076041)［作者简介］冯俊(1988－)，男，湖南长沙人，硕士研究生，从事流体机械工程的研究;郑源(1964－)，男，山东日照人，教授，博士生导师，从事流体机械工程及水利水电工程的研究.基于气液两相流模型的水轮机数值模拟研究进展冯俊，郑源(河海大学能源与电气学院，南京211100)［摘要］随着水电站机组容量不断增大和计算机技术的飞速发展，传统的数值模拟手段已不能满足人们对深入分析水轮机性能的要求，因此更贴近实际、结果更准确的基于气液两相流模型的数值模拟越来越受到人们的关注。

介绍了气液两相流动的主要计算模型，概述近年来国内外水轮机气液两相流数值模拟进展，重点阐述在其应用于水轮机空化性能、尾水管压力脉动等方面的研究成果和应用前景，并对需要进一步深入研究的问题及研究中应遵循的一些原则作出初步探讨。

［关键词］气液两相流;水轮机;数值模拟;空化;压力脉动［中图分类号］TV74［文献标识码］A［文章编号］1006－7175(2012)04－0004－04Study of Water Turbine's Gas －Liquid Two －PhaseFlow Based Numerical SimulationFENG Jun ，ZHENG Yuan(The College of Energy and Electrical Engineering HoHai University ，Nanjing 211100，China )Abstract :With the development of water turbines'capacity and computer technology ，people start to focus on the need for accurate numerical simulation to analyse turbines'internal flow.The Gas －Liq-uid two －phase flow model which is closer to actual is now drawing more and more attention from people.This article will be followed by a brief instruction of main Gas －Liquid two －phase flow mod-els and an overview of latest international progress of water turbine's Gas －Liquid flow based numeri-cal simulation.Details on applications in water turbines'cavitation and draft tube's pressure pulsation are described in later sections.Finally ，it shows a discussion on problems and methods to solve them.Key words :gas －liquid two －phase flow ;water turbine ;numerical simulation ;cavitation ;pressure pulsation效率、空化性能和稳定性是影响水力机械机组性能的3项指标。

湿法烟气脱硫塔的优化数值模拟分析本文采用FLUENT软件，对于某300MW机组的湿法烟气脱硫塔的流动特性开展了计算机数值模拟。

模拟过程中采用标准k-ε湍流模型来模拟系统内烟气的湍流运动，喷淋液滴采用拉格朗日随机颗粒轨道模型，开展气液两相流动的模拟。

通过模拟和分析入口烟道流场分布、脱硫塔内气-液两相流场分布及脱硫塔内液相分布情况，最终优化烟道导流板、塔内传质构件参数、喷淋层及除雾器布置，保障气液分布均匀，减少烟气逃逸，降低系统压力损失，对其类似项目的设计和实施提供了一定的指导价值。

石灰石-石膏湿法烟气脱硫工艺是国内外主流的燃煤电厂烟气脱硫技术，该技术属于气-液-固三相反应过程，包括了SO2和石灰石在液体中的溶解传质过程以及溶解物在液相中的反映过程。

脱硫塔中，浆液由塔顶喷淋层通过液相喷嘴自上而下喷入脱硫塔，烟气由吸收塔底部区域自下而上通过吸收区域，脱硫浆液在吸收塔内不断循环，完成烟气中SO2的吸收过程。

影响脱硫效率的关键因素是塔内的流动情况，例如脱硫浆液的空间分布、烟气在脱硫塔内的流场及烟气与脱硫浆液的接触情况等。

对于湿法脱硫吸收塔这类大型的气液两相反应器，如通过物理实验很难对塔内的流动情况开展测试，实验工作量十分巨大，实验周期较长；另外，受到实验测量手段及实验方法的限制，很难对现场的工程设计提供指导。

随着计算机计算能力的不断提高，采用计算流体力学（ComputationalFluidDynamics，CFD）软件来开展三维流动的研究已经成为一种重要手段。

合理利用计算机开展仿真数值模拟，不仅能缩短研制周期，降低设计成本，而且能明显提高设计质量，相对于传统的物理实验方法具有优越性。

通过数值模拟可以深入认识吸收塔内烟气和浆液流动规律，这对指导吸收塔的设计起着重要的作用。

而且，随着国家日益严格的燃煤电厂超低排放标准，要求对脱硫塔的设计及运行开展精细化研究。

本文采用FLUENT软件，对于某300MW机组的烟气脱硫塔的流动特性开展了计算机数值模拟，通过模拟和分析入口烟道流场分布、脱硫塔内气-液两相流场分布及脱硫塔内液相分布情况，最终优化烟道导流板、塔内传质构件参数、喷淋层及除雾器布置，保障气液分布均匀，减少烟气逃逸，降低系统压力损失，对其类似项目的设计和实施提供了一定的指导价值。

气液两相流的数值模拟与优化设计一、引言气液两相流是工程中常见的多相流现象，其在化工、石油、能源等领域具有重要作用。

为了减少试验研究的成本和时间，在计算机科学技术的支持下，数值模拟逐渐成为了研究气液两相流的有效手段。

本文将介绍气液两相流的数值模拟方法，并探讨其在优化设计中的应用。

二、气液两相流的数值模拟方法气液两相流的数值模拟方法可以分为欧拉方法和拉格朗日方法。

1.欧拉方法：在欧拉方法中，将气体和液体视为一个连续的介质，通过求解守恒方程来计算气液两相流的运动状态。

欧拉方法紧耦合，可用于复杂的多相流体系模拟，但其对流体的宏观特性的表示较弱，并不能很好地描述流场的微观特性。

2.拉格朗日方法：在拉格朗日方法中，将每个颗粒视为一个独立的物体，通过求解运动方程来计算气液两相流的运动状态。

拉格朗日方法强调流场的微观特性，并适用于研究颗粒的运动学问题，但其较难处理复杂的多相流体系模拟。

三、气液两相流数值模拟的优化设计应用气液两相流数值模拟可用于优化设计，包括以下方面：1.应用数值模拟分析气液两相流过程的物理规律，预测气液两相流在不同工况下的流动特性，从而优化流场设计，提高效率和性能。

2.通过数值模拟研究气液两相流变化规律，提高设备运行可靠性和安全性。

3.应用数值模拟分析气液两相流过程的化学反应，探讨反应机理，优化反应器设计，提高反应效率和稳定性。

四、气液两相流数值模拟在化工行业优化设计中的实例通过气液两相流数值模拟，可以优化化工行业中的化学反应器设计。

一例是优化稀有金属催化反应器中液固气三相流的分布，提高反应效率和稳定性。

在该例中，利用拉格朗日方法模拟反应器内单一球形粒子的运动规律，建立了数学模型。

通过模拟分析，发现粒子的径向分布在反应器底部峰值，而体积分布在靠近反应器顶部。

优化设计中，采用多孔涂层技术，将液体布散到球形粒子表面，将气体分布到多孔涂层内部，从而提高了反应器内的质量传递效率和反应效率，实现了优化设计。

大型脱硫塔喷淋段气液两相流动与传热的数值仿真及验证摘要：对大型湿法脱硫塔喷淋段内部的气液两相流动和传热过程进行模拟，并将模拟结果同现场运行数据进行对比．结果表明：良好的喷淋层和喷嘴布置可对塔内烟气流动起到很好的整流作用；在烟气入口对面的浆液池上方存在一气相的最高压区；原烟气的高速冲入对浆液滴的运动轨迹产生明显的影响，使得烟气入口处形成了一个斜向下呈带状的液滴浓度高值区；喷淋塔内温度梯度变化较大的区域在靠近吸收塔入口的位置，且此区域随烟气量的增大而扩大——简单忽略塔内气相温度场的不均匀性势必将给计算带来误差；喷淋塔内的气相温度场和水蒸气浓度场分布有明显的一致性规律，证明了塔内的降温过程主要为蒸发冷却．关键词：大型喷淋塔；气液两相流；传热；温度场；水蒸气；数值仿真随着环保标准的日益严格，对烟气脱硫装置的设计和运行也提出了更高要求．当前，很多烧结脱硫装备投资巨大，但无法正常运行，或脱硫效果欠佳，主要原因就在于对脱硫塔内气液两相流动规律的认识不够，以及对烟气降温的控制效果不佳．因此，有必要对脱硫装备内部的流动、传热和传质过程做更深入的分析，从而为设计和运行的优化提供依据．计算流体力学CFD(computationalfluiddynam-ics)仿真是研究湿法脱硫过程的重要手段．针对脱硫塔内气相流场的模拟研究较多[1-3]，但未考虑离散相作用的模拟结果在实际应用上的价值有限．吸收塔内多相流模拟则为认识气液两相的相互作用和分布规律提供了重要帮助，但相关文献大多未涉及温度场的模拟[4-9]．此外，还有一些针对脱硫塔内化学反应的模拟研究，但基本上也都忽略了烟气降温过程和塔内的温度场变化，即不考虑温度场对反应的影响[10-12]；或将塔内温度变化简单假设为沿高度方向的一维函数，忽略其在径向的变化[13-14]．可见，对大型脱硫塔内温度变化规律的掌握还有待进一步深入研究．有学者在焚烧烟气急冷段内同时考虑了温度场、气液双膜理论和气固缩核反应模型[15]，但仅模拟了几个喷嘴．已有的文献大多受限于计算机的运算速度，故常常对模拟的脱硫塔几何尺寸进行缩减，或仅计算少量喷嘴以减少颗粒轨迹计算和两相耦合迭代的计算开销[15]，由此限制了研究结果在大型脱硫塔上的应用和推广．本文借助上海市超级计算机中心的硬件平台，采用计算流体力学仿真的方法，对某大型喷淋塔的全尺寸喷淋段进行研究，详细模拟了塔内的气液两相流场和上百个喷嘴的喷淋，充分考虑了气液两相间的耦合作用(传动量、传热和传质过程)，并将气相湍流脉动对颗粒运动的影响也考虑在内，从而获得较精确的塔内温度分布和烟气组分(主要是水蒸气)分布．以此揭示脱硫塔内气相和液滴颗粒相的分布特点，并讨论塔内传热、传质的规律及对脱硫过程的影响．模拟结果和现场实测数据进行对比，以进一步验证模拟的正确性．1数学模型及控制方程本文的气液两相流模拟采用欧拉-拉格朗日方下处理离散相(液滴)．对于气相，为了封闭Reynolds时均方程组中的二阶关联项，本文采用标准k-ε模型．离散相颗粒的轨道通过积分拉氏坐标系下的颗粒作用力微分方程来求解．文中还考虑了气相湍流扩散对颗粒相的分布和轨迹的影响，通过颗粒随机轨道模型来计算，即采用随机行走模型(discreteran-domwalkmodel)来考虑湍流脉动对颗粒相的作用．为了更全面地模拟气液两相间的传递过程，本文考虑了能量方程．由于气液间的传热伴随着蒸发乃至沸腾，因此还要加入液滴气相的组分输运方程．因此，当计算离散相的液滴颗粒轨道时，将同时跟踪计算颗粒沿轨道的热量、质量、动量的损益，这些物理量将用于随后的连续相(气相)的计算中去．交替求解离散相与连续相的控制方程，直到二者均收敛为止，此即双向耦合计算．通过积分流场中颗粒的运动、能量以及组分方程，得到颗粒的速度、轨迹、温度和组分分布．以下略去气相控制方程，仅列出离散相方程和气液两相耦合的有关方程．1.1离散相方程颗粒作用力平衡方程在笛卡尔坐标系下的形式为式中：FD为颗粒驰豫时间；Re为颗粒的相对Reynolds数；ui为流体相速度；upi为液滴颗粒相速度；μ为流体相动力黏度；ρp为液滴颗粒密度；dp为颗粒直径；gi为外力对液滴颗粒的加速度．式(1)右边依次为流体对液滴颗粒的曳力项、重力项(包括浮力作用)和其他作用力项．气相湍流对颗粒相的分布和轨迹的影响通过颗粒随机轨道模型来计算．设流体湍流各向同性，认为流体速度脉动值iu′符合高斯分布．当颗粒穿过湍流主气流中的蒸汽浓度由水蒸气的组分输运方程求解得到，即2模拟对象及模型简化本文以某实际运行的大型喷淋塔为模拟研究对象，采用ANSYSFluent12.0计算平台进行模拟．喷淋塔设计烟气量120万m3/h，原烟气入口温度130,℃，原烟气湿度7%(体积分数)．共4层喷淋，最上层与最下层喷淋层及喷嘴的布置方式相同．各喷淋层的位置高度为8,m、10,m、11.75,m和13.5,m，底层喷淋距吸收塔入口顶部1.5,m．每层有41个实心锥喷嘴，单喷嘴流量56.6,t/h，喷射角度90°．喷射液滴颗粒的平均直径为1.7,mm，液滴颗粒服从Rosin-Rammler分布．喷淋层结构和喷嘴布置见图1．吸收塔的模拟范围从浆液池的顶部开始，直至除雾器的入口为止，目的是充分模拟吸收塔内喷淋段的气液两相流动和传热过程．吸收塔入口尺寸为8,m×4.5,m，吸收塔直径11,m，模拟段高度15.5,m，如图2所示；烟气入口在第1层下的入口处，烟气出口在上方，各喷淋层的位置也标示其中．边界条件：入口条件为速度入口，出口条件为压力出口．采用Launder和Spaleding提出的标准壁面函数法来进行壁面处理．模拟过程中不考虑浆液管路和喷嘴本体对流动的影响．模型总共划分网格数170万，采用六面体网格．由于采用随机颗粒轨道模型，在整个计算过程中，离散相迭代更新一次总共需跟踪656,000条颗粒轨迹线．因迭代计算量大，所以本文的模拟借助于上海市超级计算机中心的公共平台．根据工程实际情况，本文的计算模型对脱硫塔内的烟气-浆液两相流动做如下的简化和假设．(1)将烟气视作不可压缩牛顿流体．(2)忽略气液两相与塔壁面间的传热；忽略塔内化学反应热和烟气组分在水中的溶解热．(3)将烟气视为理想气体，将液滴视为刚性球体考虑．(4)计算中不考虑液滴颗粒之间的碰撞、破碎及聚并效应．不考虑因为液滴蒸发、变形和传质过程导致的烟气流速和曳力系数的变化．(5)液滴碰壁后便中止液相对气相源项的计算．3数值模拟结果与分析3.1气液两相流动的模拟结果图3为纯气相模拟(不考虑液相)情况下的纵向中心截面的速度矢量场图．可见在没有浆液喷淋的情况下，由于原烟气的刚性和惯性，高速冲入吸收塔后，势必向入口对面的塔壁冲去并折流向上．由于高处仍有较大的气流速度差异．并且由于烟气刚性造成的偏流，使得在吸收塔的左上部和右下侧形成了两个明显的大旋涡．图4 为底层喷淋和顶层喷淋的模拟结果，其中忽略了烟气流动的影响．很明显，图4(b)所示顶层喷淋下来浆液的停留时间更长，因此气液接触时间也更长．从图4(a)可以看出，喷嘴排布设计达到了很好的截面覆盖率．并且各层喷嘴交错布置(如图1所示)，这样可以照顾到最大的截面覆盖率，强化气液接触效果，为烟气的快速降温和高效洗涤创造了很好的条件．图5为气液两相流情况下的纵向中心截面的气相相场流线图(坐标用气流速度m/s表征)．与图3纯气相时塔内明显偏流相比，在上百个实心锥喷嘴的大喷淋下，烟气偏流的情况得到了很好的克服，而且各层喷嘴互相交错、弥补了前一层可能的气流“短路”，因此气液接触效果很充分．可以看出，高温烟气起初以高速的刚性气流冲入吸收塔，但水平速度分量在大喷淋的作用下急剧衰减，还不到塔中心水平动量就消减得很小了，烟气转而垂直向上，和喷淋液呈逆向流动．与图3相比，图5中底层喷淋上部的烟气速度已趋向一致，烟气偏流导致的高速区也消失，气相在塔中的“充满度”明显提高，消除了大部分旋涡；并且吸收塔出口处的气流速度也非常均匀．烟气在截面上分布均匀，在塔内的停留时间也越长，使气液接触效果趋好．图6 为气液两相流情况下纵向中心截面的压力分布图．可见，由于整流效果良好，因此烟气入口轴线以上的区域基本可视作平推流，即截面上的速度差异已经很小，可以认为基本只有垂直向上的速度分量．此时，压力分布云图上的等压线和烟气流动方向基本垂直．随着烟气向上流动，静压逐渐降低．图6中在吸收塔的右下侧有个压力最高区，对比图5可知，这是由于一部分烟气进入吸收塔后转而向下，朝浆液池冲去，受阻后又向上运动，致使在烟气入口对面的浆液池上部产生一个高压区．图7 为纵向中心截面的离散相浆液滴浓度分布(4 层喷淋)．图中红色区域为纵向中心截面正好经过的喷嘴的出口浓度，由于恰为喷嘴的中心，因此离散相浓度最高．而对各喷嘴来说，沿喷射方向离散相浓度逐渐降低(这在图7最上两层喷嘴表现得尤为明显)，这显然是喷嘴雾化和液滴扩散的体现．由图7可见，底层喷淋以下的浆液高质量浓度区域范围最大，因为各层喷淋的浆液最终都叠加到喷淋塔下部；沿轴向向上则逐层降低，顶层喷淋的浆液滴质量浓度最低，这和实际情况是吻合的．由图7还可发现，在烟气入口处形成了一个斜向下呈“带状”的液滴质量浓度高值区．这主要是由于原烟气的高速冲入，使得浆液滴改变原先垂直下降的轨迹，而产生一个水平侧向的动量；同时，也因为高温烟气将一部分浆液蒸发，使得对应高温区域的离散相质量浓度降低．3.2气液两相传热的模拟结果图8为纵向中心截面和塔体入口水平中心截面的气相温度分布图．由图8可见，高温烟气冲入吸收塔后，在浆液大喷淋的作用下，被快速冷却到接近饱和温度(52,℃)．吸收塔中大部分区域都处于冷却后的温度(冷却终温)，只有靠近吸收塔入口处的区域有明显的温度梯度．基本在第1层喷淋以下就完成了烟气冷却过程．在计算过程中，对温度梯度变化明显的地方采取了网格加密．图9为纵向中心截面的水蒸气质量分数分布图．将其与图8对比可发现，温度场分布和水蒸气浓度场分布非常相似．即喷淋液蒸发冷却的过程就是烟气的降温增湿过程，水滴的蒸发相变最终使烟气中的水蒸气浓度达到接近饱和，净烟气温度和大喷淋浆液的温度基本一致．可以近似认为，喷淋浆液的蒸发量和烟气的增湿量是相等的(不考虑烟气出口少量的细液滴夹带)．m3/h时(烟气初始温度、湿度同前)、经过4层喷淋后的纵向中心截面的气相温度分布．可见随着烟气量增大，温度梯度变化的区域不断扩大．6×105m3/h烟气量时，温度梯度变化区域在塔体径向仅为吸收塔的1.4倍直径；而在1.4×106,m3/h烟气量时，温度梯度变化区域在塔体左下部已经扩大到吸收塔的中轴线．因此，烟气量越大，同一塔体内的高温区范围也越大．一般来说，塔内烟气温度越高越不利于脱硫效率的提高，由此也说明了为什么大烟气量下要保持、提高脱硫效率就更困难的事实．已有文献[10-12]往往以脱硫塔内温度均一为前提进行模拟计算，本文的模拟则证明塔内的温度不均匀性恰恰是无法忽略的．因为气液间传质的关键参数，如扩散系数、平衡浓度、亨利系数等都和温度密切相关，故忽略温度场的不均匀性就势必会导致传质计算的偏差和不精确性．图10(b)与10(a)的工况相对应，为纵向中心截面的气相水蒸气质量分数分布图．与图10(a)的温度梯度变化相仿，随着烟气量的增大，塔内的湿度梯度变化区域范围也不断增大．可见随着烟气量的增大，气液两相最终完成降温增湿过程的空间区域是不断扩大的．吸收塔内烟气降温的过程实则就是烟气-浆液之间的热湿交换过程，烟气温度降得越低，浆液蒸发总量就越大，烟气的增湿程度也就越大．这种传热与传质的耦合关联，使得可以用脱硫后净烟气的湿度大小来印证烟气降温的效果．图12即为数天内现场吸收塔的排烟湿度(净烟气中水蒸气的体积分数)的截屏曲线和模拟数值的对比．实测数据对应的现场工况虽略有波动，但原烟气参数基本上为：烟气量1.2×106m3/h，原烟气温度130,℃，原烟气中水蒸气的体积分数7%；数值模拟也按照这个工况进行仿真.由图12可见，脱硫后净烟气中水蒸气的体积分数从7%增至12%～13%，已基本达到饱和．图中的模拟数值略低于实际运行曲线，原因可能是模型中在0～100℃之间取了10个温度点来给定水的饱和蒸汽压，模拟过程中其余温度点的蒸汽压通过插值的方法自动计算得到，由此可能会引起一些偏差．但总体来说，数值模拟结果和现场实测的运行曲线相吻合，模拟结果的正确性得到了现场实测数据的检验．4结论本文采用计算流体力学方法对大型脱硫塔的喷淋段进行仿真，模拟过程中充分考虑了气液两相间的耦合作用(传质、传动量和传热过程)，得出了详细的气液两相流场和温度场、水蒸气组分场的分布规律，并和现场实际运行数据进行对比．(1)良好的喷淋层设计和喷嘴布置能极大地消除刚性烟气高速冲入吸收塔后形成的旋涡区，从而对烟气流动起到很好的整流作用；防止烟气短路的同时，强化了气液接触的效果．(2)吸收塔内采用实心锥喷嘴喷淋时，烟气入口轴线以上(或底层喷淋层以上)的区域基本可视作平推流，气相压力等势线和纵轴线基本垂直．(3)原烟气的高速冲入对浆液滴的运动轨迹产生了明显的影响，由此在烟气入口处形成了一个斜向下呈“带状”的液滴浓度高值区．(4)高温烟气冲入喷淋塔后，由于多层浆液大喷淋的洗涤，使烟气冷却过程在较短的时间内得以完成．喷淋塔内温度梯度变化较大的区域靠近吸收塔的入口，随着烟气量逐渐增大，温度梯度变化区域不断扩大．由此证明，以往文献中将塔内视为等温条件来进行计算或模拟将会带来误差，结果不精确．(5)喷淋塔内的气相温度场梯度变化和水蒸气浓度场梯度变化有明显的一致性规律，证明了塔内的主要降温过程为蒸发冷却．。