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氣-液-固三相體系CFD模擬方法:理論框架與應用拓展
發(fā)布日期:2025-06-27

前言

 

氣-液-固三相流體系廣泛存在于化工、能源、環(huán)境等工業(yè)領域,如費托合成漿態(tài)床、流化床反應器及礦物浮選過程。由于氣-液- 固三相漿態(tài)體系內在機理的復雜性,與兩相流模擬相比,基于氣-液-固三相CFD模擬相對不成熟,其計算流體力學(CFD)模擬一直是多相流領域的研究難點。下文介紹目前常見的氣-液-固三相體系CFD 模擬方法。

 

為了簡化處理,Grevskott 等將液相以及固相兩相看作一個擬均相(漿液相)處理,通過修正漿液粘度以及密度的方式考慮固體顆粒的影響,將氣-液-固三相漿態(tài)模擬簡化成氣體-漿液相兩相模擬,基于雙流體框架下研究氣泡尺寸的分布、液體的循環(huán)以及固體顆粒的運動。

 

Wen 和 Xu 等也將液-固看作擬均相進行二維穩(wěn)態(tài)模擬,采用 ksus-εsus-kb-8b 湍流模型計算氣-液-固漿態(tài)床內的流動并且采用沉降擴散模型描述固體顆粒的軸向分布。

 

Feng 等也將液相以及納米顆粒兩相看作擬均相處理,在 CFD 模擬中考慮的曳力、升力以及虛擬質量力,重點考察時均徑向氣含率以及液速分布。

 

Mitra-Majumdar 等采用三歐拉方法進行三相漿態(tài)床的二維軸對稱模擬,并且對相間作用力進行修正,在研究氣 - 液相間作用力時考慮固體顆粒的影響,在研究液 - 固相間作用力時考慮氣體的影響,最終重點考察了表觀氣速、液速以及固體顆粒循環(huán)速度對氣含率以及固含率分布曲線的影響。

 

Padial 等采用三歐拉方法進行了三相漿態(tài)內環(huán)流反應器三維模擬,重點考察導流位置對氣含率以及循環(huán)液速的影響,通過模擬發(fā)現(xiàn)提高導流筒位置會導致環(huán)流液速降低。需要指出,在其模擬中氣 - 固之間與氣 - 液之間采用相同的曳力模型,該方法不適用于高固含率的情況。

 

Mationis 等采用 Gidaspow 等提出的 Kinetic-Theory-Based 模型描述氣 - 固之間的相間作用,并采用 k-ε 湍流模型描述液相湍流,重點考察固體顆粒的時均速度、濃度分布以及雷諾應力的變化,并與實驗結果進行對比。

 

除了歐拉多流體模型之外,部分學者還采用 Euler - Lagrange 法模擬氣-液-固三相體系內的流動。Li 通過 CFD - DPM - VOF 耦合的方法模擬氣 - 液 - 固三相流化床,采用基于歐拉框架的 CFD 方法模擬連續(xù)相液相,通過離散顆粒模型(Dispersed Particle Method, DPM)描述顆粒的運動,使用 VOF 方法捕捉氣泡的形變。氣-液、氣-固以及液-固之間的相間作用力分別采用連續(xù)表面力模型(Continuum Surface Force, CSF)、表面張力模型以及牛頓第三定律進行描述。

 

此外,還通過一種近距離互動模型(Close - Distance Interaction Model)考慮液體界面效應對顆粒碰撞的影響。Xu 等也采用 CFD-DBP-VOF耦合方法,主要研究低固含率對單孔進氣時氣泡行為的影響;Zhang 和 Ahmadi 采用Euler-Lagrange - Lagrange法模擬三相漿態(tài)鼓泡床,在該方法中通過基于體積平均的控制方程模擬液相的流動,采用拉格朗日軌跡跟蹤法描述氣泡以及顆粒的運動,并且假定氣泡為球形,忽略了氣泡的形變,顆粒與顆粒以及氣泡與氣泡之間的相互作用通過硬球模型考慮。

 

通過調研大量文獻發(fā)現(xiàn),當采用Euler-Lagrange法進行氣-液-固三相CFD 模擬時,由于計算量的限制,僅能模擬小尺寸的反應器,且反應器內顆?;蛘邭馀輸?shù)量較少。如果進行大尺寸反應器模擬,則需在 Euler - Euler 框架下完成。不管采用哪種方法模擬氣-液-固三相,選擇合適模型描述各相之間的相互作用均是研究者關注的首要問題。氣-液-固三相之間動量傳遞封閉模型一般情況下可以分為三類

 

(1)當顆粒尺寸較小或者液體與顆?;旌狭己脮r,可以將液相以及固相看作一種擬均相即漿液相對待,通過修正漿液粘度以及密度的方式考慮固體顆粒的影響。該方法即是 圖 1 中的 Closure A,通過該簡化方法回避考慮氣 - 固以及液-固之間的相間封閉模型。在某些情況下,采用該方法也能得到相對合理的結果。需要指出,與純氣 - 液體系相比,固體顆粒不僅會影響漿液的密度和粘度,也會影響氣體與漿液之間的相間作用力,僅憑修正漿液粘度以及密度的方式,無法有效體現(xiàn)固體顆粒存在對氣體與漿液之間相間作用力的影響。而傳統(tǒng)曳力模型主要針對氣 - 液兩相建立,沒有考慮固體顆粒的影響。Mitra - Majumdar 等在進行三歐拉模擬氣 - 液 - 固三相時,通過在氣液相間作用力前乘以一個經(jīng)驗性的系數(shù)來考慮固體顆粒對氣-液相間作用力的影響,而經(jīng)驗系數(shù)中包含一些可調參數(shù),從而限制該方法的使用。

 

(2)在某些氣-液-固三相體漿態(tài)系中,顆粒存在明顯的沉降,此時無法將液-固兩相看作擬均相處理,需要采用合適的相間作用封閉模型來考慮氣-液-固三相體系中兩兩相之間的相互作用。在絕大多數(shù)發(fā)表的文獻中,僅考慮氣-液以及液 - 固之間的相間作用力,而忽略氣-固之間的相間作用力。這便是 圖 1中的 Closure B 方法。

 

(3)在近些年的發(fā)表文獻中,研究者指出在氣-液-固三相體系中確實存在氣-固之間的相互作用,氣泡附近的顆粒會跟隨氣泡一起運動,因此則需要考慮氣固之間的相間作用力。有些研究者則直接采用常用的曳力模型,如 Wen-Yu以及 Schilller-Naumann 曳力模型,描述氣-固 之間的相間作用,該方法便是 圖 1 中的 Closure C 方法。

 

 

一些文獻在進行氣 - 液 - 固三相漿態(tài)床 CFD 模擬時,往往采用 2 維穩(wěn)態(tài)模擬。嚴格意義上講,三相漿態(tài)鼓泡塔內的流動屬于非穩(wěn)態(tài),內部流動過程通常發(fā)生在不同時間以及空間尺度上,非穩(wěn)態(tài)流體動力學行為控制著反應器內混合以及輸運過程,并且受設計以及操作參數(shù)(如反應器以及分布器的設計、氣體流量以及固含率等)的影響。因此建議在模擬實際裝置時,應采用三維模擬。由于氣液固三相模擬相對復雜,因此需根據(jù)研究對象以及具體問題,選擇合適的方法。

 

積鼎信息自主開發(fā)的通用計算流體力學分析軟件VirtualFlow 具有豐富且精準的多相流模型,包含Level set、VOF、均相流、拉格朗日顆粒追蹤等模型,涵蓋了上述文獻中所用多相流模型,能夠用于氣- 液- 固三相。

 

對于界面流問題,它采用了VOF和 Level Set 方法。VOF 方法能夠清晰地追蹤氣液兩相的界面,通過計算每個網(wǎng)格單元內氣相和液相的體積分數(shù),準確描述界面的位置和形狀變化。Level Set 方法則是將界面表示為一個符號距離函數(shù),在處理復雜界面變形和拓撲變化時具有獨特優(yōu)勢,能夠更精確地捕捉氣液界面的動態(tài)演化。

 

混合流問題上,VirtualFlow 提供基于歐拉 - 歐拉體系的均相模型。該模型將氣液兩相視為一種均勻混合的介質,通過求解混合相的守恒方程,來模擬氣液混合流動的整體行為。這種模型在處理氣液充分混合、相間差異較小的情況時,具有計算效率高、結果準確的優(yōu)點。

 

對于離散相流體問題,軟件采用歐拉- 拉格朗日模型。在這個模型中,連續(xù)相采用歐拉方法進行描述,而離散相則通過拉格朗日方法追蹤每個顆粒的運動軌跡。這樣可以詳細地分析氣泡在液體中的運動、碰撞、合并等過程,為深入研究氣液兩相流的微觀機制提供了有力工具。

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