基于Fluent的新型过程强化装置的流场分析

材料产品的现代国民经济支柱产业之一，是发展经济提高国力不可或缺的基础。提高过程效率可通过提高湍流程度达到，传统上，提高湍流程度往往需提高流速，这势必增加能耗、设备体积与投资、厂房空间等。象许多缓慢且可逆的反应过程，目前用连续管式反应器而不加强化，长径比很大，不仅增加设备体积与成本，且效率低，操作很不方便，若能不提高过程净流速，而提高其湍流程度或混合程度，则既可提高过程效率，又能节约能源、资金、材料和厂房空间等，达到“高效、节能、洁净、安全”的目标。

为此，提出了一种新型过程强化技术与装置，如图1所示，其技术方案是：在过程设备上设置与之配合的机械振荡装置，使过程设备内的流体形成紊流或充分混合，以强化工艺过程。

振荡装置主要由活塞与圆柱转子构成，活塞与过程设备密封滑动装配，转子对称斜置，造成相位差180°的偏心距，此即活塞振幅。滑板可在支座兼导轨上移动，以调节振幅（调速电机装在滑板上）。调速电机带动转子旋转，转子推动两活塞作相位差180°的振动，使过程设备内的流体形成紊流或充分混合。

该文运用Fluent软件建立了该强化装置的参数化模型并对其流场进行了数值模拟，根据数值模拟的结果比较了未加强化装置和加上强化装置后的流体流场分布，分析了过程强化装置对于其内部流体流场的影响，分析了强化装置在过程强化中的作用。

仿真模型建立

利用Fluent建立了装置的三维模型。取装置中的一节作为研究对象，采用Gambit中的自适应混合网格进行网格划分，如图2所示。选用有限体积法和RNGk-ε计算模型进行计算，对过程强化装置采用圆环形档板时的流场进行分析。

在该文中只对活塞做正（余）弦运动时的流场进行分析，由于强化装置的周期运动，使得流场两端的轴向速度随时间周期性变化，因此其边界条件定义为：

过程强化装置对流场的扰动分析

为了研究过程强化装置对流场的扰动，选取在相同的进口流速条件下，在使用圆环形挡板时，未加强化装置和加上了强化装置后简体内的流体的速度场，通过分析和比较两者的流场分布，来分析过程强化装置对流场的扰动的影响。

2.1未加强化装置时的流场分布

首先对进口流速为0. 00707264 m/s（流量为50 L/h）时，未加强化装置的流场分布进行分析，其结果如图3和图4所示。从图3，图4的未加过程强化装置时筒体的流场分布图可以看出，未加过程强化装置时，由于其入口流速比较小，因此类似于其流场分布类似于圆管管内流动，当流动稳定以后，其速度场不随时间变化，保持为稳态流动。速度由简体轴线向两边逐渐减小，流场的最大速度出现在进口处.在靠近管壁处速度值很小；在进口的两侧，由于挡板的存在，因此出现了一个滞止区，在此区域内，流体的流动速度很小，在传热和传质中，由于这一部分的质量和热量传递主要靠传导的作用，对流作用几乎为零，因此效率很低，这种情况在工业生产中是不希望出现的，它将使传热和传质的效果大大降低，在出口处，由于挡板的作用，在挡板处出现了部分回流，但是由于边界层的存在，该部分流体在较大的黏性力作用下速度不断减小，当快要到达筒体壁面时，其速度已经变得很小。从图中还可以看到，流体在简体中主要只存在轴向的速度，径向速度几乎为零。

下面对在相同的进口流速条件和挡板开孔率的条件下，加上过程强化装置后，筒体内的流场分布进行研究。

2.2加上过程强化装置后的流场分布

图5～图10是系统稳定后加上过程强化装置后一个周期内的流场分布图。

从图5～图10可以看出，当加上过程强化装置后，在筒体中出现了不断产生和消失的旋涡，并且由于旋涡的存在，使得靠近简体壁面处的流体能够在旋涡的带动下与中间部分的流体充分得混合。由于简体两侧出现的明显的漩涡，使得筒体两侧的速度分布得到明显的改善，流场中流体的径向速度得到明显加大；在进口挡板的两侧，由于漩涡的形成，其速度明显增加，在靠近筒壁处，由于其漩涡的存在，速度也显著增大，而且这两个漩涡的存在，也使得边缘处的流体与中央处的流体可以进行更加充分的混合，由于流体间质量、热量以及动量的传递方式由单纯的传导变为了传导加对流，因此其效率大大地增加，这对于传热和传质都是十分有益的。

结束语

当流体的进口流量相同时，加上过程强化装置和未加过程强化装置的流场分布是不同的，在未加过程强化装置时，由于流速比较小，类似于圆管内的层流流动，可以当作定常流动来处理；加上强化装置后，流场开始变为按周期性变化的非定常流动，由于装置对过程的强化作用，使得流场中出现了不断变化的漩涡，正是这些漩涡的存在，使得流场中部质点的横向速度增大，也使得流场中质点的涡度变大。

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