CN112100943B - 一种高粘度流体混合性能预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于化工领域，具体涉及一种高粘度非牛顿流体混合性能预测方法。该方法包括：建立反应器物理模型，并进行网格划分获得物理模型网格文件；建立流体力学模型、粘度模型和质量守恒方程，耦合求解获得反应器内部的流场分布；将物理模型网格文件导入至流体分析软件，基于流场分布采用脉冲法和阶跃法进行数值模拟实验，获得非牛顿流体流变性质对示踪剂停留时间分布的影响，并模拟非牛顿流体的轴向返混现象，获得非牛顿流体的混合性能。本发明方法基于流体流动的第一性原理和非牛顿流体流变性质本构方程进行数学建模，通过本发明数值模拟实验，模拟得到不同反应器结构中不同流变性质的高粘度非牛顿流体的混合性能。
Description
技术领域
本发明属于化工领域，具体涉及一种高粘度非牛顿流体混合性能预测方法。
背景技术
反应器中非牛顿流体流动广泛存在于各种工业过程中，如石油钻井、聚合、 制药等。这些重要的工业流体通常表现出复杂的流变行为，包括高粘度、剪切 变稀或增稠、屈服应力和粘弹性。如何量化它们的混合性能仍然是一项颇具挑 战性的任务。
现有技术中，非牛顿流体的流动特性、传质和和传热速率、剪切变稀和屈 服应力行为一直是研究的焦点，主要的研究手段包括实验测量和理论分析，比 如根据旋转粘度计测量幂律、宾汉、卡森等非牛顿流体的流变性质，同时根据 最小二乘法原理得出确定非牛顿流体流变参数的回归分析方法，最终获得非牛 顿流体的流动特性，或者通过具体实验研究，获取大量数据后拟合出传质系数 方程。
上述方法虽然能够获得非牛顿流体的相关特性，但是其分析过程繁琐、实 验数据量巨大，无法快速有效的获得非牛顿流体的混合性能。
发明内容
基于此，本发明针对上述的问题，提供了一种高粘度非牛顿流体混合性能 预测方法，旨在解决现有非牛顿流体性能分析过程繁琐、实验数据量巨大的技 术问题。
本发明提供了一种高粘度非牛顿流体混合性能预测方法，具体包括：
根据反应器结构建立反应器物理模型，并进行网格划分获得物理模型网格 文件；
在流体分析软件中建立描述反应器内部流体流动特征的流体力学模型、描 述非牛顿流体流变行为的粘度模型和示踪剂组分传质的质量守恒方程，耦合求 解获得反应器内部的速度场、压力场和浓度场；
将所述物理模型网格文件导入至流体分析软件，基于所述反应器内部的速 度场、压力场和浓度场在所述反应器物理模型中采用脉冲法和阶跃法进行数值 模拟实验，获得高粘度非牛顿流体流变性质对示踪剂停留时间分布的影响，并 模拟非牛顿流体的轴向返混现象，获得非牛顿流体的混合性能。
更进一步地，所述进行网格划分获得物理模型网格文件步骤具体包括：
利用结构化六面体网格对所述反应器物理模型进行网格划分，设置包括速 度入口边界条件、压力出口边界条件和壁面边界条件，获得物理模型网格文件。
更进一步地，所述在流体分析软件中建立描述反应器内部流体流动特征的 流体力学模型、描述非牛顿流体流变行为的粘度模型和示踪剂组分传质的质量 守恒方程，耦合求解获得反应器内部的速度场、压力场和浓度场步骤具体包括：
建立描述反应器内部流体流动特征的流体力学模型，并采用大涡模拟方法 获得反应器内部流体流动的湍流特征；
建立粘度模型并采用所述粘度模型计算非牛顿流体的流变性质；
将所述流体力学模型、粘度模型和质量守恒方程在流体分析软件内进行耦 合求解获得反应器内部的速度场、压力场和浓度场。。
更进一步地，所述采用脉冲法进行数值模拟实验具体包括：
模拟获得基于所述反应器内部的速度场、压力场和浓度场的稳态流场分布；
设置所述反应器的入口边界条件、示踪剂输入时间和改变条件；监测获取 所述反应器出口的示踪剂浓度。
更进一步地，所述采用阶跃法进行数值模拟实验具体包括：
模拟获得基于所述反应器内部的速度场、压力场和浓度场的稳态流场分布；
设置所述反应器入口边界条件，监测获取所述反应器出口的示踪剂浓度。
更进一步地，所述模拟非牛顿流体的轴向返混现象具体包括：
模拟获得基于所述反应器内部的速度场、压力场和浓度场的稳态流场分布；
设置所述反应器中一段区域的示踪剂的浓度，在不同的流动时刻监测反应 器内部示踪剂的浓度分布。
有益效果：
本发明建立的高粘度非牛顿流体混合性能的预测方法主要通过物理建模、 数学建模，并在反应器中进行数值模拟实验，分别建立脉冲法和阶跃法考察高 粘度非牛顿流体流变性质对示踪剂停留时间分布的影响，通过数值模拟实验研 究管式反应器中的轴向返混现象，预测示踪剂组分浓度的动态分布，解决了高 粘度体系混合性能难以定量描述的难题；通过本发明涉及的数值模拟实验可以 模拟得到不同反应器结构中不同流变性质的高粘度非牛顿流体的混合性能。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的， 并不能限制本公开。
附图说明
图1为本发明实施例提供的高粘度非牛顿流体混合性能预测方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的不同雷诺数条件下管式反应器内卡波姆流体速 度分布曲线；
图3为本发明实施例提供的不同n值条件下的卡波姆流体中停留时间分布 曲线；
图4为本发明实施例提供的不同K值条件下的卡波姆流体中停留时间分布 曲线；
图5为本发明实施例提供的不同n值条件下，示踪剂组分在管式反应器内 的分布曲线；
图6为本发明实施例提供的非稳态条件下，示踪剂组分在管式反应器内的 浓度分布云图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实 施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅 仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，在一个实施例中，提出了一种高粘度非牛顿流体混合性能预 测方法，具体包括以下步骤：
步骤101，根据反应器结构建立反应器物理模型，并进行网格划分获得物理 模型网格文件。
在本发明实施例中，为了更加准确的对非牛顿流体在反应器内混合性能的 描述，首先根据反应器的实际结构建立反应器物理模型，该反应器一般为三维 管式反应器，并在ANSYSICEM软件中利用结构化六面体网格对所述三维反应 器物理模型进行网格划分，并设置相应的边界条件，该边界条件为速度入口边 界条件、压力出口边界条件和壁面边界条件，获得反应器物理模型网格文件。
步骤102，在流体分析软件中建立描述反应器内部流体流动特征的流体力学 模型、描述非牛顿流体流变行为的粘度模型和示踪剂组分传质的质量守恒方程， 耦合求解获得反应器内部的速度场、压力场和浓度场。
在本发明实施例中，采用基于先进数值算法的计算流体力学(CFD)建模， 建立反应器内部流体流动特征的流体力学模型，并采用大涡模拟方法获得反应 器内部流体流动的湍流特征，建立Herschel-Bulkley粘度模型并采用所述粘度模 型计算非牛顿流体的流变性质，建立描述示踪剂组分传质的质量守恒方程，具 体的模型方程包括：非牛顿流体力学连续性方程为公式(1)，动量方程如公式 (2)，示踪剂传质的组分守恒方程为公式(3)，
其中ρ为密度，t为时间，u为速度，x为坐标，p为压力，Y为质量分数， Γ为扩散系数，Sc为源项，公式(2)中，σij为粘性应力张量，其计算公式如 公式(4)所示
其中μ为流体的表观粘度，本发明采用Herschel–Bulkley模型计算流体粘 度：
其中τy是屈服应力，γ&是剪切速率，K和n是Herschel–Bulkley模型参数中 的稠度参数和幂律指数，为了保证粘度计算的连续性，实际模拟计算的时候采 用如下改写的粘度模型方程：
其中τy为屈服应力，方程(2)中的τij为涡扩散应力张量
其中Sij为应变张量，μSGS为涡粘度，本发明采用LocalEddy-Viscosity模型 计算μSGS,
Ls＝min(κd,CwV1/3) (9)
其中Ls为混合长度，κ为vonKármán常数，d为距离最近反应器壁面的距离，Cw为WALE模型参数，V为网格体积，建立上述模型后，在AnsysFluent软件中 利用用户自定义函数编程实现各模型的耦合求解获得反应器内部的速度场、压 力场和浓度场。
步骤103，将所述物理模型网格文件导入至流体分析软件，基于所述反应器 内部的速度场、压力场和浓度场在所述反应器物理模型中采用脉冲法和阶跃法 进行数值模拟实验，获得高粘度非牛顿流体流变性质对示踪剂停留时间分布的 影响，并模拟非牛顿流体的轴向返混现象，获得非牛顿流体的混合性能。
在本发明实施例中，将步骤101获得的反应器物理模型网格文件导入至AnsysFluent软件中，模拟获得基于所述反应器内部的速度场、压力场和浓度场 的稳态流场分布，采用脉冲法和阶跃法进行数值模拟实验，其中脉冲法具体通 过设置所述反应器的入口边界条件、示踪剂输入时间和改变条件，监测获取所 述反应器出口的示踪剂浓度；阶跃法通过设置所述反应器入口边界条件，监测 获取所述反应器出口的示踪剂浓度；，模拟非牛顿流体的轴向返混现象，设置所 述反应器中一段区域的示踪剂的浓度，在不同的流动时刻监测反应器内部示踪 剂的浓度分布。
应用例
对直径为0.03m，长度为3m的管式床反应器进行网格模型构建，总网格数 为774440，管式反应器的边界条件包括速度入口边界条件、压力出口边界条件 和壁面边界条件。
以卡波姆溶液为实验的非牛顿流体溶液，采用Herschel–Bulkley模型计算 卡波姆流体的粘度如公式(5)，其中τy是屈服应力，γ&是剪切速率，K和n是 Herschel–Bulkley模型参数，利用商用软件(ANSYSFluent18.1)对管式反应器 中卡波姆溶液的流体流动行为进行数值模拟，确定其速度和压力分布。选择单 相流体系作为研究对象。卡波姆溶液(τy＝8Pa,K＝2.6,n＝0.49)以匀速(30m/s) 从反应器底部进入，并以恒定压力从塔顶排出，反应器内部流体流动为湍流。 对于反应器壁定义为无滑移边界条件。
对于不同流变性质的卡波姆溶液，主要体现在K和n的差异，这里利用测量 的速度分布实验数据验证了所建立的CFD耦合模型，考察了n(0.1、0.3、0.5、 0.7、0.9)、K(1、2、4)对停留时间分布的影响，并模拟了不同时刻示踪剂在 反应器内部的浓度分布，进而实现对轴向返混现象的预测。不同雷诺数条件下 管式反应器内卡波姆流体速度分布曲线如图2所示。模拟结果和实验测量结果 吻合，表明了该模型的准确性。图3、4分别示出了不同n、K值条件下的卡波 姆流体中停留时间分布，图5示出了不同n条件下示踪剂组分在管式反应器内 的分布曲线，图6示出了非稳态条件下，示踪剂组分在管式反应器内的浓度分 布云图。
由图2-6可知，随着n和K的增大，流体的粘度增大，停留时间分布密度 曲线由单峰型变成双峰型。这是因为非牛顿流体的粘度和剪切速率有关，反应 器壁面附近的流体粘度增大会导致更多的示踪剂粘附在壁面上，从而出现模拟 得到的非理想流动现象。图5和图6反映了示踪剂轴向混合性能。随着壁面附 近流体粘度的增大，示踪剂沿反应器轴向的浓度分布曲线变宽，这表明轴向混 合得到加强。
本发明的高粘度卡波姆溶液混合性能预测方法，通过建立计算流体力学模 型、Herschel-Bulkley粘度模型、示踪剂组分守恒方程，利用用户自定义函数编 程实现各模型的耦合求解，采用大涡模拟方法计算得到反应器内部的流场分布； 在三维管式反应器中进行数值模拟实验，分别建立脉冲法和阶跃法考察高粘度 非牛顿流体流变性质对示踪剂停留时间分布的影响；通过设计数值模拟实验研 究管式反应器中的轴向返混现象，预测示踪剂组分浓度的动态分布，解决了高 粘度体系混合性能难以定量描述的难题。本发明方法基于流体流动的第一性原 理和非牛顿流体流变性质本构方程进行数学建模，通过本发明设计的数值模拟 实验，可以模拟得到不同反应器结构中不同流变性质的高粘度非牛顿流体的混 合性能。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公 开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化， 这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开 的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性 的，本公开的真正范围和精神由权利要求指出。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对 上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技 术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
Claims (6)
1.一种高粘度非牛顿流体混合性能预测方法，其特征在于，具体包括：
根据反应器结构建立反应器物理模型，并进行网格划分获得物理模型网格文件；
在流体分析软件中建立描述反应器内部流体流动特征的流体力学模型、描述非牛顿流体流变行为的粘度模型和示踪剂组分传质的质量守恒方程，耦合求解获得反应器内部的速度场、压力场和浓度场；
其中，粘度模型方程：
(6)
式（6）中，为屈服应力，/>是剪切速率，/>和/>是Herschel–Bulkley 模型参数中的稠度参数和幂律指数；
示踪剂组分传质的质量守恒方程：
(3)
式（3）中，为密度，t为时间，u为速度，x为坐标，p为压力，Y为质量分数，/>为扩散系数，Sc为源项；
将所述物理模型网格文件导入至流体分析软件，基于所述反应器内部的速度场、压力场和浓度场在所述反应器物理模型中采用脉冲法和阶跃法进行数值模拟实验，获得高粘度非牛顿流体流变性质对示踪剂停留时间分布的影响，并模拟非牛顿流体的轴向返混现象，获得非牛顿流体的混合性能。
2.根据权利要求1所述的高粘度非牛顿流体混合性能预测方法，其特征在于，所述进行网格划分获得物理模型网格文件步骤具体包括：
利用结构化六面体网格对所述反应器物理模型进行网格划分，设置包括速度入口边界条件、压力出口边界条件和壁面边界条件，获得物理模型网格文件。
3.根据权利要求1所述的高粘度非牛顿流体混合性能预测方法，其特征在于，所述在流体分析软件中建立描述反应器内部流体流动特征的流体力学模型、描述非牛顿流体流变行为的粘度模型和示踪剂组分传质的质量守恒方程，耦合求解获得反应器内部的速度场、压力场和浓度场步骤具体包括：
在流体分析软件中建立描述反应器内部流体流动特征的流体力学模型，并采用大涡模拟方法获得反应器内部流体流动的湍流特征；
建立粘度模型并采用所述粘度模型计算非牛顿流体的流变性质；
将所述流体力学模型、粘度模型和质量守恒方程在流体分析软件内进行耦合求解获得反应器内部的速度场、压力场和浓度场。
4.根据权利要求1所述的高粘度非牛顿流体混合性能预测方法，其特征在于，所述采用脉冲法进行数值模拟实验具体包括：
模拟获得基于所述反应器内部的速度场、压力场和浓度场的稳态流场分布；
设置所述反应器的入口边界条件、示踪剂输入时间和改变条件；监测获取所述反应器出口的示踪剂浓度。
5.根据权利要求1所述的高粘度非牛顿流体混合性能预测方法，其特征在于，所述采用阶跃法进行数值模拟实验具体包括：
模拟获得基于所述反应器内部的速度场、压力场和浓度场的稳态流场分布；
设置所述反应器入口边界条件，监测获取所述反应器出口的示踪剂浓度。
6.根据权利要求1所述的高粘度非牛顿流体混合性能预测方法，其特征在于，所述模拟非牛顿流体的轴向返混现象具体包括：
模拟获得基于所述反应器内部的速度场、压力场和浓度场的稳态流场分布；
设置所述反应器中一段区域的示踪剂的浓度，在不同的流动时刻监测反应器内部示踪剂的浓度分布。
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| "浮选机内矿浆停留时间分布研究";袁琳阳 等;《有色金属(选矿部分)》(第04期);第100-104页 * |
| "热水解污泥在厌氧消化反应器内流场特性研究";丁浩;《中国优秀硕士学位论文全文数据库（工程科技Ⅰ辑）》;第B027-2177页 * |
| "膏体搅拌过程流变特性及剪切作用机制研究";杨柳华;《中国博士学位论文全文数据库 (工程科技Ⅰ辑)》;第B021-11页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112100943A (zh) | 2020-12-18 |
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