规整填料表面液相分布的计算流体力学

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State Key Laboratory of Chemical Engineering (Tianjin University)

规整填料表面液相分布的计算流体力学

汇报：谭丽媛导师：袁希钢 2013.10.10

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主要内容

◇ 1. 研究意义

◇ 2. 研究现状

◇ 3. 目前的工作

◇ 4. 想法

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1. 研究意义• 影响塔效率的因素是多尺度的，既包括宏观的操作变量如进料量、进料成分、塔内压强与温度等，也包括了微观的液相局部流态与分布，液相间的相互影响使得液相的流动形态呈现多样性与随机性，从而使塔的分离效率也呈现很大的不确定性。有必要从微观尺度上来研究流体的流动形态。

• 已有的研究又表明，填料塔内液相流动形态的改变往往只发生在几英寸大小的填料表面上，因此可以说，规整填料片上液相流动形态的研究是塔内流体流动形态研究的一个基础工作。

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2.研究现状——理论研究 1. Tour R S 和 Lerman F在“ The unconfined distribution of liquid in tower packing. Trans AIChE, 1939,35:719-726”基于用高斯概率分布来描述塔内液体分布的思想通过理论和实验研究，提出填料塔点源进料的液体分布符合正态分布的规律，此即著名的填料中滴流流动的随机流动机理。 2. Cihla Z, Schmidt O. “Behavior of liquids tricking through the packing in a Cylindrical column”. Coll Czech Chem Comm, 1957, 22 (3) :896-907.从随机流动机理的概念出发，简化了数学模型，认为液体的流动机制可看做热传导或扩散过程，因此提出了扩散模型。 3. Le Goff P, Lespinasse B. Hydrodynamics of packed columns. Rev Inst France Pet, 1963, 40(6): 686-692. 对液体的分布做了实验研究，提出了优先路径流动模型。 4. Jameson GJ. A model for liquid distribution in packed columns and trakle-bed reactors. Trans Instn Chem Engrs, 1966, 44: T198.将液体在填料层上的分布看作是液流在一系列接触点上相接触再分开的过程，从而提出了接触点部分反射模型。

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也有学者通过将气相流动与液相流动相结合的方式来研究液体的流动，提出了一些模型。如， Hanley等人提出“电子渗流器”的概念来描述填料塔内的气液流动，通过“导通”和“绝缘”的方式来表述气 -液接触过程； Grosser等和 Dankworth 等以气、液空隙率的流动为基础，提出了气液流动的宏观模型——“空隙率流动模型”，但是该模型的引用和应用比较少。 Hanley B, Dunbobbin B, Bennet D. A unifined model for countercurrent vapor/liquid packed columns. 1. Pressure drop. Ind Eng Chem Res, 1994, 33(5):1208-1221. Grosser K, Carbonell RG, Sundaresan S. Onset of pulsing in two-phase countercurrent downflow through a paced bed. AIChE J, 1988, 34(11): 1850-1860. Dankworth DC, Sundaresan S. Macroscopic model for countercurrent gas-liquid flow in packed columns. AIChE J, 1989, 35(8): 1282-1292.

2.研究现状——理论研究

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2.研究现状——实验研究理论预测可以得到规整填料上的液相分布，而且相对于实验来说，

省时、省力、投入少，是研究规整填料上流体流动的重要手段和方法。但是，理论预测的真伪是需要实验数据来判定的，实验测定的流体流动特性最具有客观性和说服力，可以为模型的参数确定、模型的验证以及工程的设计提供有力的支持。目前学者们研究的一个主要方向是寻求可靠的实验手段来测量规整

填料塔内局部液体的三维流动分布，以此来研究局部填料表面上的液体流动机理。

流场测量

直接测量

间接测量

放射性方法（如 γ射线摄影）染料示踪剂法（光学检测法和电导分析法）温度分析热膜测速仪激光多普勒测速（ LDA）粒子示踪测速（粒子跟踪测速技术 PTV，粒子图像测速技术 PIV）

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2.研究现状—— CFD研究1. 整体平均 CFD模型：将填料层内的流体物性进行宏观平均，不考虑填料的各种单个微观结构对流体的作用，而是将填料看作具有一定空隙率、对流体在各方向上都有一定作用力的连续介质，填料对流体的作用通过 Navior-Stokes 方程的模型得以体现。

2. 单元综合 CFD模型：在充分考虑填料结构特性对流体流动的条件下，将填料看成是由大量结构单元构成的整体，从单个结构单元入手来研究流体的流动状况。简单的说，就是建立填料单元的模型，通过模拟单个或多个填料单元来研究填料上的局部流动状况。

3. 采用计算流体力学来研究填料塔内流体的流动规律是今后的发展方向，但受计算条件限制，已有的模型和仿真多数是从二维 CFD 角度出发的。也只能模拟几片规整填料上的流体流动情况。然而，仍可以预见随着计算机技术的发展、计算速度的提高， CFD将真正成为填料塔设计的辅助工具。

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液相局部流动形态1. Szulczewska B, Zbicinski I, and Gorak A. Liquid Flow on Structured Packing:

CFD Simulation and Experimental Study. Chem. Eng. Technol, 2003,26(5): 580-584. 建立了一个基于Mellapak 250Y 型板波纹规整填料的二维两相流 CFD模型，利用该模型模拟了竖直平板以及波纹板上的气、液两相逆流流动过程。考察了气速、液速以及液体的物理性质对气、液相界面的影响。

2. 孙凤丹 . 波纹板表面流体流动特性的数值模拟 . 现代化工 . 2012, 32(1): 90-93. 建立了二维两相流 CFD模型，考察了液体流速、板面结构、液体物性对液膜流动的影响。

模型相似，只是尺寸不一样

图 1. 物理模型Fig. 1 Physical model

对称边界条件除了可以描述有对称轴的物理模型之外，还可描述粘性流体中零剪切力的滑脱壁面条件。

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1. Raynal L, Boyer C. Ballaguet J-P. Liquid hold-up and pressure drop determination in structured packing with CFD simulation. Can J Chem Eng, 2004, 82: 871-879. 认为规整填料内气、液相是沿一“ Z”状的路径流动，基于此建立了一个二维两相流 CFD模型，仅对气、液相的层流流动过程进行了模拟，而且没有考虑液相表面张力对流动过程的影响。

2. Valluri P, Matar O K, Hewitt G F, Mendes M A. Thin film flow over structured packings at moderate Reynolds numbers [J].Chem. Eng.Sci.,2005,60 (7):1965-1975. 对低雷诺数（ <30 ）的液膜流动进行了数值模拟，研究了液膜表面动态分布、界面面积变化及填料表面结构影响

3. Fernandes J,Lisboa P F, Simoes P C, Mota J P B,Saatdjian E. Application of CFD in the study of supercritical fluid extraction with structured packing: wet pressure drop calculations [J].J.Supercrit.Fluids, 2009,50 (1):61-68. 对 Sulzer EX 丝网波纹规整填料采用二维模型模拟了填料表面单相和气液两相分布。

4. Gao Guohua, Zhang Lühong, LI Xingang, SUI Hong. CFD simulation of film flow and gas/liquid countercurrent flow on structured packing [J]. Trans. Tianjin Univ. 2011, 17(3): 194-198.研究了规整填料的微观结构，特别是波纹板的角落（ corner）和微观波纹结构；液相负荷对规整填料表面液膜分布的影响。

5. 李相鹏 , 陈冰冰 , 高增梁 .规整填料表面液膜流动特性的数值模拟 [J]. 化工学报 , 2013, 64(6) : 1925-1933.对常温常压下规整填料表面液膜流形成与发展过程进行二维 CFD模拟分析。

图 2. 计算区域及其边界条件Fig.2 Computational domain and corresponding boundary conditions

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Zhao L, Cerro RL. Experimental characterization of viscous film flows over complex surfaces. Int J Multiphase Flow, 1992, 18: 495-516. 展示了从宏观到微观角度上，规整填料塔内研究模型的一个过程简化图，即液相在规整填料表面上的流动可被简化为在倾斜平板上或倾斜波纹上的流动。

图 3. 规整填料塔内的研究模型的过程简化图Fig.3 The diagram of the simplified model for the structured packed colum

液相局部流动形态

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1. 倾斜板上的液膜流动时具有自由面的、重力驱动下的液体流动。一般来说，液膜流动可分为两种形态——层流液膜流动和湍流液膜流动，而这两种流动形态的区别是在自由面上，即液相与气相之间的相界面上。在低液体流量下，液膜以平滑的层流方式流动；随着液体流量的逐渐增加，平滑的相界面会逐渐被波动的界面所取代；继续增加液体流量，当在波动的液膜中出现明显的旋转流动时，就认为薄膜流动处于湍流状态。

2. 对规整填料， Zogg M., Thesis, ETH Zurich, 1972研究了其内部流体的流型的变化规律，并提出了一个预测流型由层流转变为过渡流的临界雷诺数的关联式：

511.67 7

Re1 sin( / 2)critical

p

式中，为波纹两斜边的夹角，为填料波纹与竖直方向的夹角，为填料的空隙率。

p

对于Mellapak 500Y，，，，可得到。因此，对雷诺数小于 124.5的流动，可以认为其流型为层流，而大于 124.5的则认为是湍流

=75.5 =45 =0.98p Re 124.5critical

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1. 谷芳 .规整填料局部流动与传质的计算流体力学研究 [D]. 天津：天津大学研究生院， 2004.建立了一个二维两相流 CFD模型。对倾斜板上的气、液两相逆流流动进行模拟。考虑了板面结构、液体物性、气、液相速度对液膜流动的影响。

2. 刘梅 , 朱永欣 , 王松岭 . 倾斜波纹板面上液膜流动的数值研究 . 中国科技论文在线 . 基于 VOF方法对倾斜波纹板上的液膜流动特性进行了数值模拟。

图 4. 二维降膜物理模型Fig. 4 Physical model for two dimension falling film

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3.目前的工作建立二维倾斜波纹板物理模型。利用 fluent 14.5模拟了在无气相逆流情况下，不同表面张力的物系在不同液速下在板面上的液相分布。

Wall 50mm

Liqui-in 2mm

symmetry

Α=0.2mm ；λ=2mm

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Cells Faces Nodes

13972 28471 14500

Minimum Orthogonal Quality 7.3572e-01

Maximum Aspect Ratio 1.4923e+01

选用几何重建格式的 VOF(Volume of Fluid) 界面追踪技术进行模拟。 VOF方法是 Euler-Euler方法的一种，它采用固定的 Euler 网格、通过引入参数——相分率来记录自由面的变换、进行界面追踪。相分率，是指选择相在该计算单元网格中所占的体积比例，是时间和空间的连续函数，在一个计算单元网格内，各相的相分率之和等于 1. 几何重建方法，是使用分段线性的方法来，描绘流体间的相界面。假定两流体之间的界面在每个单元内有个线性斜面，并使用这个线性形状为穿过单元面的流体的水平对流做计算。

选用四边形单元结构网格，质量较非结构网格高，计算精度也高于非结构网格，与实际模型更接近

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在 VOF方法中是否加入表面张力是通过两个无因次参数来判断的——雷诺数 (Re)和毛细数 (Ca)或者雷诺数 (Re)和韦伯数

(We)Re 1,

UCa

2

Re 1, e

LUW

当 U是自由流速

当时，可以忽略表面张力的影响。本次模拟的雷诺数(Re) 远大于 1，韦伯数并不大，因此需要考虑表面张力的影响。在Fluent模拟中勾选上 Implicit Body Force。由于表面张力的作用，界面处压降不连续。表面张力可以表示为在界面处压力的跳跃。采用continuum surface stress (CSF) 模型，将表面张力作为动量源项加入到动量方程中去。

1, 1Ca We 或

2 11 2

1 1p p

R R

1

( )2

i ivol ij

i j

kF

ˆk n

ˆ=n

nn

ˆˆ ˆ cos sinw w w wn n t

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基本控制方程无气相逆流，液速较小，雷诺数（ Re ＜ 300），可视液体的流动方式为层流，选取层流模型。

mm u 0

t

（ 1）连续性方程：

（ 2）动量方程： mm

( )uu

T

m

up u u F

t

��

相界面的追踪是通过在每个计算单元内，求解相分率连续性

方程来实现的。

,

u 0 1qq q

q l gt

动量源项有重力源项和表面张力源项。 1

( )2

i ivol ij

i j

kF

m l l g g m l l g g

G mF g��

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流体物性参数

流体空气 1.225 1.7894e-

05

水 998.2 0.001003 0.0722 57

丙酮 791 0.000331 0.0229 40

乙醇 790 0.0012 0.0214 40

3/ ( / )kg m / ( / )kg m s / (N / )m /w

/w 摘自 Elioni M A, Nicolaiewsky and Fair J R. Liquid flow over textured surfaces. 1. Contact angles. Ind. Eng. Chem.

Res., 1999. 39: 284-291

固液之间由于表面张力而产生的力称为壁面粘附力。对这种力的处理不是给定壁面处的边界条件，而是将其并入表面张力动量源项。固液之间的接触角变化实际上反映了固体壁面附近液面曲面法向量的变化。

ˆˆ ˆ cos sinw w w wn n t

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水的速度为 0.015m/s时，（ lam-outflow）

0.2s 0.4s

0.4518s 0.6398s

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水的速度为 0.015m/s时，（ RNG-k-ε -outflow）喷淋密度：

0.2s 0.4s

0.45s 0.63s

3

254mm h

22


水的速度为 0.03m/s时，

0.22s 0.4026s

3

2108mm h

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水的速度为 0.06m/s时，

0. 22s 0.42s通过对水的模拟，可以认为波纹填料表面液相的流动时属于小雷诺数的湍流。使用 RNG-k-ε 湍流模型。出口边界条件设为

outflow，即充分发展的流动。

3

2216mm h

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乙醇的速度为 0.015m/s时，

0.8s

0.2s 0.4s

0.6s

3

254mm h

乙醇与水相比，黏度差不多，但表面张力确比水低的多，可以认为表面张力低，有利于形成液连续膜。

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0.16s 0.32s 0.48s

3

2108mm h

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0.36s0.24s0.12s

3

2162mm h

通常认为，液速的增加，能促进连续液膜的形成，但模拟结果并非如此

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丙酮的速度为 0.015m/s时，

0.2s 0.4s

0.6s 0.8s

3

254mm h

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0.48s0.16s 0.32s

3

2108mm h

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0.1s 0.2s 0.3s

3

2162mm h

丙酮与乙醇相比，表面张力相差不大，但黏度却比乙醇小很多。黏度大，较易形成连续膜。

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4.想法

1. 通过查文献或者实验确定一些低表面张力物系在不锈钢波纹填料上的接触角，探究表面张力与液膜的定性关系。

2. 当液相分布稳定后，再给定气相进口速度，同时计算气 -液两相流场。由于气液相逆流使界面产生湍动，将选用RNG(Renormalization group)k-ε 湍流模型，同时利用 UDF将气液界面剪切力并入到动量源项中。

3. 查看二维气液界面处传质的文献，归纳总结后，进行界面处传质计算。

4. 最后建立三维模型。

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谢谢大家 !

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