氣液兩相在多孔介質內同向向上流動的CFD研究

摘要：基于計算流體力學中歐拉模型，研究了氣液兩相在球形多孔介質填充床內同向向上流動情況.分別采用Tung Siefken模型、Schulenberg模型以及Attou模型通過用戶自定義功能的形式添加氣固、液固、氣液間曳力程序對填充床流動情況進行CFD三維數(shù)值模擬.對其模擬結果與實測數(shù)據(jù)進行對比發(fā)現(xiàn)：Tung Siefken的模型更適合模擬在常溫常壓下直徑在2~8 mm的球形多孔介質內氣液兩相流流動，此模型CFD數(shù)值模擬的壓降差、持液量結果均與實測數(shù)據(jù)吻合很好.

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關鍵詞：歐拉模型；氣液兩相流；多孔材料；數(shù)值模擬

中圖分類號：X11 文獻標識碼：A

在現(xiàn)代許多工程技術領域中，比如在核電工業(yè)的核反應堆、石油化工的固化床和流化床、環(huán)境工程的脫硫塔、曝氣生物濾池和滴濾池中，都存在大量關于多孔介質內氣液兩相流動問題［1-5］.因此，開展多孔介質內氣液兩相流動的研究，具有十分重要的意義.

目前，國內外對于多孔介質內氣液兩相流動的研究多為理論分析和實驗研究，且大部分研究都集中在氣液同向向下流動，而對氣液同向向上流動的研究較少，應用計算流體力學(CFD)三維數(shù)值模擬氣液同向向上流動還尚未見報導.Chu［1］等在試驗的基礎上研究玻璃球床內空氣和水兩相向上流動，主要研究多孔介質粒徑、軸線床層孔隙率的變化、氣液流量對壓降和持液量影響.Schulenberg［2］等在實驗基礎上，在粗碎片多孔介質內考慮蒸汽與液體間曳力，提出了多孔介質內多相流壓降和持液量模型.Tung等［3］在多孔介質內兩相流實驗的基礎上，提出泡狀流等不同流態(tài)概念并建立了一維壓降預測和持液量模型.Molga等 ［4］研究了在高壓下吸收塔內CO2氣體與液相流動，考慮了系統(tǒng)壓力、氣相和液相表觀速度、液相粘度以及多孔介質粒徑對壓降和持液量影響.Schmidt［5］通過總結大多數(shù)學者關于多孔介質內氣液同向向上流動的壓降模型，并在大量實驗基礎上提出了自己的壓降和持液量模型，但通用性不強.

本文首次應用CFD三維數(shù)值模擬在常溫常壓下球形多孔介質內空氣和水的兩相流流動，分別采用Tung Siefken模型，Schulenberg模型以及Attou模型定性分析氣液流量和多孔介質粒徑對壓降的影響，利用CFD對多孔介質內氣液兩相同向向上流動進行三維數(shù)值模擬以確定最佳模型.

4 結論

在常溫常壓ReL=33~300，ReG=10~650內，本文基于Fluent計算流體力學軟件中歐拉模型，分別采用Tung Siefken模型、Schulenberg模型以及Attou模型，通過用戶自定義功能編寫氣固、液固、氣液間的曳力系數(shù)程序到軟件中的形式，首次對球形多孔介質填充床內氣液兩相向上流動進行CFD三維數(shù)值模擬. 通過模擬發(fā)現(xiàn)，Tung Siefken模型更適合應用于粒徑為2~8 mm的多孔介質球體內氣液兩相流的數(shù)值模擬， 模擬壓降值與實測值基本一致，平均相對誤差為7.3%. CFD數(shù)值模擬的持液量與實測值變化基本一致，但是存在一定的誤差.

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