反应釜电导热油炉流动传热数值模拟方式

发布日期：2022-10-8

反应釜电导热油炉数值模拟方法

1几何模型

    模拟计算的搅拌釜实物如图1 (a)所示，其具体参数如下:筒体直径为268 mm;下封头为标准椭圆封头，直径为268 mm，深度为67 mm;盘管共6.5圈，盘曲直径为140 mm，采用φ14mmx2.Omm不锈钢管，盘管螺距为35 mm;搅拌桨为双层推进式搅拌桨，搅拌桨直径为110 mm，桨叶平均宽度为30 mm;液面距离釜底高度为327 mm。采用三维绘图软件Creo3.0绘制得到的流体域模型如图1 (b)所示。

反应釜电导热油炉流动传热数值模拟方法

2数学模型

    本文采用CFD软件Fluent进行模拟计算。湍流模型采用两方程标准k-3模型，k-3模型已被广泛地应用于搅拌槽内流场的模拟，并取得了较好的效果[10-12]。搅拌流场和能量的控制方程组[13〕如式(1一式(4)所示。

    连续性方程:

反应釜电导热油炉流动传热数值模拟方法

3计算方法

    运用Fluent中的滑移网格(Moving Mesh )，采用隐式求解方法及PISO算法求解压力一速度的藕合，使用二阶迎风差分格式计算得流项的离散，选用非稳态格式计算流场和温度场。设置时间步长为0.005 s ,计算总时长为10s。

    为了便于流场模拟与研究，并且使本次研究有更强的普适性，适当简化流动模型，设置流动介质为单相流液体(水)。为了表征实际的反应吸热过程，以10s后流场为初始流场，在Fluent软件内打开能量方程，设置整个吸热时间为10s。模拟过程中，搅拌釜内液体的体积为0.016m³，吸热量为58 538 W/m³，在Fluent软件内设置该能量源项为一58 538，设置釜壁热通量为25 000 W/㎡。

 

4网格划分与边界条件

    使用CFD前处理软件Gamhit对几何模型分块进行网格的划分。由于流体在釜式反应器中的流动状况较为复杂，故选取整个釜体进行模拟，可将模型分为搅拌桨转动区域、盘管区域及其余部分，具体区域划分如图2 (a)所示。将搅拌桨和盘管作为重点考察对象，并对其进行适当的网格加密，以提高计算精度。通过不同数目网格的测试和比较，最终确定网格数为175万，为提高计算速度，在Fluent软件内采用Make Polyhedra技术将网格数量减少至100万，网格划分截面及Fluent软件中的多面体网格模型分别如图2(b)，图2(c)所示。

反应釜电导热油炉流动传热数值模拟方法

    将搅拌桨、搅拌轴、釜壁及盘管壁面均设置为无滑移壁面边界，液面设置为自由界面，搅拌轴和搅拌桨定义为动边界，将静区域与动区域的交界面设置为滑移面类型，角速度定义为110 r/min。其中搅拌桨处于运动流体区域，相对于区域内流体是静止的。