CN114912383A - 一种基于fluent的旋转填料床流场分析方法 - Google Patents

一种基于fluent的旋转填料床流场分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于FLUENT的旋转填料床流场分析方法，包括以下步骤：S1：根据填料床工作过程确定控制方程；S2：建立填料床模型，利用ICEM软件进行建模，选取网格类型划分网格，设置边界条件，输出case文件；S3：打开FLUENT软件，将case文件导入到FLUENT软件中；S4：检测网格并设定网格单位；S5：选择求解器和求解方法；S6：选择正确的湍流模型，设置气相和颗粒材料的物理性质；S7：边界初始化并设置迭代参数，进行计算；S8：气相收敛后加入离散相颗粒；S9：选定设置离散相的初始条件，开始求解；S10：查看残差图，速度和压力图；本发明利用FLUENT仿真软件分析了旋转填料床内气液分布状况，对提高分离效率和装置的工作稳定性提供了理论基础。

Description

一种基于FLUENT的旋转填料床流场分析方法
技术领域
本发明涉及一种基于FLUENT的旋转填料床流场分析方法。
背景技术
近些年来，一种新型的传质设备——旋转填料床引起国内外研究者的广泛关注，该装置是利用超重力场来强化传质及微混合过程。实验研究及工业应用数据表明，旋转填料床的传质效率比传统塔设备高1～3个数量级，具有设备体积小、操作灵活等优势，可广泛应用于石油、化工、制药等工业领域的精馏、吸收、解吸及纳米材料的制备等方面。
目前关于旋转填料床的研究主要集中在其工业应用，基础性研究相对匮乏，这严重制约了旋转填料床的发展空间。这是由于旋转填料床内填料结构精细，且伴随有高速的旋转场，其流场分布与传统的填料塔相比更加复杂，有很强的不均匀性，而目前通过实验手段只能宏观地观察流场分布，无法深入研究。不可否认对旋转填料床的流场做定量的细节研究是促使其基础理论进一步完善的必要步骤。FLUENT是目前国际上比较流行的商用软件，凡是和流体、热传递和化学反应等有关的工业均可使用。它具有丰富的物理模型、先进的数值方法和强大的前后处理功能。为了能代替目前尚不完善的实验手段并对旋转填料床的流场等进行细节的研究，一种基于FLUENT的旋转填料床流场分析方法有待研究。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种基于FLUENT的流场模拟方法。
上述的目的通过以下的技术方案实现：
一种基于FLUENT的旋转填料床流场分析方法，包括以下步骤：
S1，根据填料床工作过程中的气液流动规律确定控制方程；
S2，建立填料床模型，利用ICEM软件进行建模，选取网格类型划分网格，设置边界条件，输出case文件；
S3，打开FLUENT软件，将case文件导入到FLUENT软件中；
S4，检测网格，检查划分的网格是否正确并设定网格单位；
S5，选择求解器和求解方法，加载湍流能量模型；
S6，选择正确的湍流模型，设置气相和材料颗粒的物理性质；
S7，边界初始化并设置迭代参数，利用FLUENT求解器进行计算；
S8，气相收敛后加入离散相颗粒，离散相颗粒主要指液态水，选用uniform的尺寸分布，指定颗粒参数，选择射流类型；
S9，选定设置离散相的初始条件Reset DPM Sources，开始迭代求解；
S10，计算收敛后，查看残差图，速度和压力图。
进一步的，S1中，控制方程具体包括：
质量守恒方程(连续性方程)：
Figure BDA0003651540170000021
γ动量方程：
Figure BDA0003651540170000022
θ动量方程：
Figure BDA0003651540170000023
进一步的，S2中，填料床模型选择二维模型，因为考虑到径向上的流场在离心力的作用下变得比较复杂，以及重力比离心力小几个数量级和盘片的结构特点，所以轴向流场可忽略不计，因此，重点对填料床上的二维流场进行模拟。
进一步的，S2中，网格剖分指把一个面或者一个体划分为有限个很小很小的单元进行独立计算受力或者其他形式的力来表现整体的受力情况。优选的，网格单位数为123368。
进一步的，S2中，网格类型采用非结构化网格。
进一步的，S2中，边界条件的设置：设定气相入口和颗粒入口均为速度进口边界，出口均为压力出口边界。
进一步的，S4中，网格单位为mm。
进一步的，S5中，求解器选择二维双精度求解器，求解方式选择分离隐式求解，加载湍流能量方程是软件中的一项常规操作步骤，对于该步骤的湍流能量方程指的就是S6中的湍流能量方程。
进一步的，S6中，湍流模型选择Realizable k-epsilon模型。
进一步的，S6中，气相和颗粒材料的物理性质包括密度和粘度。
进一步的，S8中，射流类型为Surface。
本发明的有益效果为：
基于Fluent的流体仿真建模将四面体网格转化为多面体网格，可大幅降低网格数量，有效提升CFD计算速度，节约时间成本。
实验设计过程中，借助参数化的流体仿真工作流程，可以根据各输入变量的取值完成自动网格更新与CFD仿真计算，直接得到设计样本中各输出变量或目标参数值，从而大大削减在样本个体流体仿真建模中的人工参与工作量，降低了人为误差，提升了优化设计稳定度和可靠性。
采用CFD应用软件Fluent对填料床装置内部流场进行数值模拟，分析流场内的运动速度和干床压降的变化情况并与真实情况对比，以此来验证其有准确性。借助仿真方法得到的流场信息对填料床装置的设计以及超重力技术的工程化有着很高的应用价值。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明的整体流程图；
图2为本发明的旋转填料床二维模型示意图；
图3为本发明的旋转填料床气相速度云图；
图4为本发明的旋转填料床液相速度云图；
图5为本发明的旋转填料床流场静压力云图；
图中：1、压力出口；2、速度入口。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是为了提供一种基于FLUENT的旋转填料床流场分析方法，通过建立几何模型，利用FLUENT软件进行仿真来研究旋转填料床中流场的变化。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供的基于FLUENT的旋转填料床流场分析方法，结合附图1为本发明作进一步阐述，包括以下步骤：
S1：根据旋转填料床工作过程中的气液流动规律确定控制方程，工作过程中采用常温的水和空气作为介质对填料床上的气液相流场分布进行模拟，体系内没有热源，故只需考察流体的质量和动量方程，具体包括：
质量守恒方程，也可以称作连续性方程，它指的是，在单位时间内，指定区域质量的增加量等于流入该区域的质量。需要明确的是任何流体都必须满足质量守恒方程。由此可导出方程：
Figure BDA0003651540170000041
γ动量方程：
Figure BDA0003651540170000042
θ动量方程：
Figure BDA0003651540170000043
S2：建立求解区域的几何模型，选取网格类型划分网格和边界条件的设置，填料床模型选择二维模型，因为考虑到径向上的流场在离心力的作用下变得比较复杂，以及重力比离心力小几个数量级和盘片的结构特点，所以轴向流场可忽略不计，因此，重点对填料床上的二维流场进行模拟；网格剖分指把一个面或者一个体划分为有限个很小很小的单元进行独立计算受力或者其他形式的力来表现整体的受力情况。网格类型采用非结构化网格，网格单位数为123368；设定气、液相入口均为速度进口边界，气、液相出口均为压力出口边界。图2为旋转填料床二维模型示意图，表1为填料床尺寸，具体如下：
Figure BDA0003651540170000051
S3：打开FLUENT软件，将case文件导入到FLUENT软件中；
S4：检测网格，检查划分的网格是否正确并设定网格单位,网格单位设定为mm；
S5：选择求解器和求解方法，加载湍流能量模型,求解器有四种，分别为：二维单精度求解器、三维单精度求解器、二维双精度求解器与三维双精度求解器，这里选择用二维双精度求解器，求解方法有三种，分别为：分离隐式求解、耦合隐式求解与耦合显式求解，这里选择分离隐式求解；
S6：选择正确的湍流模型，设置气相和颗粒材料的物理性质，气相和颗粒材料的物理性质包括密度和粘度，气相选择空气，密度为1.225kg/m3,粘度为1.7894e-05kg/m-s,颗粒选择液态水(water-liquid)，密度为998.2kg/m3，粘度为0.001kg/m-s；在高速旋转的作用下，内部流场出现带旋流场，因此本次实施例中选用的Realizable k-epsilon湍流模型，湍动能和耗散率方程为：
Figure BDA0003651540170000052
Figure BDA0003651540170000053
其中，Gb是由浮力产生的湍流动能,Gk表示由层流速度梯度而产生的湍流能量,YM是可压缩湍流中脉动扩展对湍动能的耗散率,C1ε、C2ε、C3ε为常数，бk和бε是k和ε方程的Prandtl常数；
S7：边界初始化并设置迭代参数，利用FLUENT求解器进行计算；
S8，气相收敛后加入离散相颗粒，离散相颗粒主要指液态水，选用uniform的尺寸分布，指定颗粒参数，选择射流类型为Surface；
S9，选定设置离散相的初始条件Reset DPM Sources，开始迭代求解；
S10，计算收敛后，查看残差图，速度和压力图；
如图3至图5所示，从填料内径到外径处，填料床上的速度场总体呈增大趋势，但在填料区同一半径处的流速不同，说明速度场分布不均匀，而气体的静压力分布总体呈减小的趋势，且在填料区的同一半径处，气体的静压力基本相同，说明静压力场分布很有规律，由此证明了本发明一种基于FLUENT的旋转填料床流场分析方法的科学性。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (1)

1.一种基于FLUENT的旋转填料床流场分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：根据填料床工作过程中的气液流动规律确定控制方程；
S2：建立填料床模型，利用ICEM软件进行建模，选取网格类型划分网格，设置边界条件，输出case文件；
S3：打开FLUENT软件，将case文件导入到FLUENT软件中；
S4：检测网格，检查划分的网格是否正确并设定网格单位；
S5：选择求解器和求解方法，加载湍流能量模型；
S6：选择正确的湍流模型，设置气相和颗粒材料的物理性质；
S7：边界初始化并设置迭代参数，利用FLUENT求解器进行计算；
S8：气相收敛后加入离散相颗粒，离散相颗粒主要指液态水，选用uniform的尺寸分布，指定颗粒参数，选择射流类型；
S9：选定设置离散相的初始条件Reset DPM Sources，开始迭代求解；
S10：计算收敛后，查看残差图，速度和压力图。
根据权利要求1所述的基于FLUENT的旋转填料床流场分析方法，其特征在于，S1中，控制方程具体包括：
Figure FDA0003651540160000011
Figure FDA0003651540160000012
Figure FDA0003651540160000013
以上分别为质量守恒方程、γ动量方程和θ动量方程。
根据权利要求1所述的基于FLUENT的旋转填料床流场分析方法，其特征在于，S2中，建立填料床模型，利用ICEM软件进行建模，选取网格类型划分网格，设置边界条件，输出case文件，具体包括；
模型的建立：考虑到重力比离心力小几个数量级以及盘片的结构特点，轴向流场可忽略不计，因此，重点对超重机内多孔板填料上的二维流场进行模拟；
网格类型：网格划分时采用非结构化网格；
边界条件的设置：设定入口均为速度进口边界，出口均为压力出口边界。
根据权利要求1所述的基于FLUENT的旋转填料床流场分析方法，其特征在于，S4中，网格单位为mm。
根据权利要求1所述的基于FLUENT的旋转填料床流场分析方法，其特征在于，S5中，求解器选择二维双精度求解器，求解方式选择分离隐式求解。
根据权利要求1所述的基于FLUENT的旋转填料床流场分析方法，其特征在于，S6中，湍流模型选择Realizable k-epsilon模型。
根据权利要求1所述的基于FLUENT的旋转填料床流场分析方法，其特征在于，S8中，颗粒参数包括质量流率和平均颗粒尺寸，射流类型为Surface。
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