计算流体动力学在模拟气升式环流反应器中的研究进展

李金鹏,苏鸿洋,张亚雷,周雪飞

(同济大学长江水环境教育部重点实验室,上海 200092)

气升式环流反应器 (air-lift loop reactor,简称ALR),是环流反应器中应用最为广泛的一种,它是以鼓泡塔为基础在内部增设导流装置发展起来的,是一类高效的处理气 -液、气 -液 -固多相过程的接触性反应装置[1]。其独特的几何特性使其具有结构简单、造价低、易于清洗和维修、能耗低、剪切应力低和混合好等诸多优点,近年来已被广泛应用于石油化工、生物工程、食品工程、环境工程等领域[2]。其中,环境工程领域中像石油生物脱硫[3,4]、生物发酵[5～7]、废水处理[8～11]、微藻除碳[12,13]等方面均有应用气升式环流反应器。

对气升式环流反应器进行深入研究,进而优化其结构参数,提高传质效率和生产效能,已经引起了人们的高度重视。国内外有不少学者[14,15]针对气升式环流反应器进行了宏观实验研究,但传统的实验方法往往受到测量精度和模型尺寸等因素的限制,很难进行微观的、瞬时的流场分析。而 CFD与实验相比,具有信息完整、速度快、费用低等优点,因此它有着巨大的应用价值和研究意义,尤其是针对还无法进行试验的反应器研发有着不可替代的作用。所以,利用 CFD对气升式反应器内部流态进行模拟,获取不同结构或不同运行条件下气升反应器内详细的流场信息,进而优化其结构设计及运行控制参数,对新型反应器的研发及提高反应器的运行效率将具有十分重要的意义[16,17]。

1 气升式环流反应器的主要技术参数

气升式环流反应器的相关技术参数是其设计和放大的基础,也是对其进行数值模拟的基础和依据。气升式环流反应器的性能主要通过反应器的效率和传质特性等指标来评价。表征气升环流反应器混合与传质性能的参数主要有气含率及其空间分布、循环液速、相间传质系数和液相扩散系数等。影响气升式环流反应器流动与传质行为的操作参数主要有反应器结构、操作气速、操作压力、气液相的物理性质等。这些参数之间相互影响,在吴捷[18]等的研究基础上,可以将它们之间的相互关系用下图表示。从图中可以看出,这些参数之间关系很复杂,如果单纯依靠实验对气升式环流反应器进行研究,工作量和费用将较大,因此运用相关软件(如 Fluent等)进行 CFD模拟成为必然。

图 气升式环流反应器各技术参数之间的相互关系Fig. Relations among different technical parameters of air-lift loop reactor

2 计算流体动力学(CFD)模拟简介

计算流体动力学(CFD)是近代流体力学、数值数学和计算机科学结合的产物,是一门具有强大生命力的边缘科学。它可以看作是在流动基本方程(质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程)控制下对流动的数值模拟,通过这种模拟,可以知道反应器中的速度场、温度场、浓度场、压力场等的详细分布以及它们随时间的变化情况[19],从而为反应器结构的优化及反应器的优化运行提供参考依据。它的基本思想可以归结为：把原来在时间域及空间域上连续物理量的场,如速度场和压力场,用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替,通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组,然后求解代数方程组获得场变量的近似值[20]。

目前 CFD数值解法有差分法、有限元法以及有限体积法 3种[21]。其中,有限差分法是应用最早、最经典的 CFD方法,也比较成熟,常应用于求解双曲型和抛物型偏微分方程[22,23];有限元法是 20世纪 60年代出现的一种数值计算方法,最早应用于结构力学,后来随着计算机的发展慢慢应用于流体力学的数值模拟[24],由于其求解速度较有限差分法和有限体积法慢,所以在商用 CFD软件中应用不是特别广泛,但在结构力学中仍应用十分普遍[19];有限体积法的计算量相对较小,在 20世纪 80年代后得到了广泛的应用,是目前 CFD应用最广泛的一种方法,如 Zhang Qianfei[25]等用有限体积法估测地下水径流的速度矢量和压力水头, MadjidMohseni[26]等用基于有限体积法的计算辐射场模型来模拟单相环形光生物反应器的辐照度 , NiyazMohammadMahmoodi[27]等还利用有限体积数值模型来模拟固定化二氧化钛纳米光催化剂对染料的脱色和矿化作用。

目前常见的 CFD处理工具有：(1)用于前处理的软件包括 Gambit、I CEM-CFD、GridGen等。其中Gambit是 Fluent的网格生成前置软件,主要针对Fluent生成非结构网格,但它输出的网格很难被其他软件读取;ICEM-CFD是一个功能非常强大的网格生成软件,可以生成结构、非结构以及笛卡儿网格,且几乎支持所有流行的 CFD软件,它不是直接对几何体分块,而是在拓扑结构上划分网格之后映射到几何体上的,因此网格划分速度很快;Gridgen用于划分结构网络非常方便,也可以生成非结构网格(但非结构网格不是它的长项),生成的网格可以直接输入到 Fluent、CFX、StarCD、Phonics,等十几种计算软件中,非常方便。(2)用于计算分析的软件包括 Fluent、Phoenics、START-CD和 CFX,其中FLUENT是目前国内外使用最多、最流行的商业软件之一。(3)用于后处理的软件包括 CEI Ensight、IBM Open Visulization Explore、Field View、AVS、Tecplot等。这些软件功能强大,近年来在环保设备领域应用十分广泛,尤其是除尘设备和水处理设备领域,比如旋风除尘器[28,29]、沉淀池[30,31]和氧化沟[32,33]等。

3 气升环流反应器中流体数值模拟研究概况及进展

3.1 数值模拟基本研究模型

在气液两相流的数值模拟中有 3种基本模型：第一种模型将气液两相介质看作一种混合流体,称为单流体模型;第二种模型将气液两相看作相互独立又相互作用的两种流体,称为两流体模型;第三种模型将气体或液体看作背景流体,而将另外一相看作离散分布于背景流体中的颗粒或粒子,在研究过程中用欧拉观点研究背景流体,用拉格朗日观点追踪颗粒相的运动,称为欧拉—拉格朗日模型。相对于欧拉—拉格朗日模型,又将前面二种模型 (即单流体和两流体模型)统称为欧拉—欧拉模型[34]。

欧拉—拉格朗日模型和欧拉—欧拉模型均有自己的优缺点和适用范围[35]。气泡与气泡之间的相互作用在欧拉—拉格朗日模型中比在欧拉—欧拉模型中更容易处理。但由于要追踪单个气泡的运动,欧拉—拉格朗日模型要求计算机必须有很大的记忆存储空间,所需费用高且耗时。因此,当分散相的空隙率相对较高时,欧拉—欧拉模型相对于欧拉—拉格朗日模型的优势就很明显,这种场合使用欧拉—欧拉模型就更加合适和可行[36]。

目前在模拟气升式环流反应器中使用较多的是欧拉两流体模型,即将每一种流体都看作是充满整个流场的连续介质,针对两相分别写出质量、动量和能量守恒方程,然后通过相界面间的相互作用(动量、能量和质量的交换)将两组方程耦合在一起[34]。很多文献[37～41]常将欧拉两流体模型与粘性模型中的 k-ε湍流模型联用 (选择 k-ε模型是因为气升环流反应器中湍流较充分,Re数较高),进而进行模拟计算。双流体模型的方程可以划分为3个部分：第一个部分是质量和动量守恒方程;第二部分是涉及相间作用力,包括拖曳力、虚拟质量力和侧向力等;第三部分是描述连续相和分散相湍流[42]。

3.2 CFD模拟气升式环流反应器的发展历程及研究现状

经过学者 20多年的研究探索,气升式环流反应器的数值模拟经历了从一维到三维的发展变化,模拟精度和效果也取得了明显的进步。

3.2.1 一维模拟

气升式环流反应器的一维模型是假设反应器中的流动为一维定态流动的。早期的一维模型比较简单,仅仅是基于一维机械能均衡提出的,如 Chisti[15]和 Van Benthum[43]等所做的研究。他们建立模型的出发点基本相同,都仅仅是从积分的动量方程或能量方程出发 ,对反应器进行分段衡算。并且在建模过程中带入了经验参数和假设条件,使得这些模型的适应性较差,大都只适用于自已的实验数据。在一维模型的基础上,Dhaouadi[44]和 Muroyama[45]等分别将传质和化学反应考虑了进去,对反应器内的微观机理认识也更加深入,实验结果表明模型用于指导反应器的放大是有效的。国内林文才[46]等也从基本的一维两液体模型出发,全面地考虑了气升式反应器中气体膨胀、气液两相间相互作用和滑移等,建立了反应器的一维模型,然后采用四阶龙格 -库塔法求解整个反应器的流体力学方程组,解的结果包括气含率、气体和液体速度等,与实验结果基本相符,验证了模型的可靠性。从而可以用于预测反应器中的流动参数,研究反应器中的流动规律,指导反应器的优化设计和放大设计。他们从基本的流体动力学出发进行研究,减少了条件假设和经验参数的带入,因此相对于早期的学者是一个明显的进步。

虽然这些简单的模型能够为工业规模的气升式反应器的设计提供相当不错的信息和参考(如气含率、循环液速等),但一维模型仅限于特定的流态而且提供的流场信息不够详细(如不能描述反应器局部空间的速度场和压力场等)。而且它依赖于现有的实验数据(如摩擦因数和轴向扩散系数等),而这些数据的获得是比较困难的,且在不同的反应器中是不同的,这将影响反应器的放大。同样,模拟得出的关联式也只能针对具有类似几何形状的或特定参数 (如表面流速等)的反应器有效[47]。

3.2.2 二维模拟

随着气升式环流反应器的二维模拟的出现和发展,一维模拟的不足之处在很大程度上得以克服,已经能够对反应器内部空间的微观流场特性进行描述。二维 CFD模型考虑了流体环流速度在径向方向上的梯度。Wang Jinfu[42]等利用双流体模型和 kε湍流模型对反应器局部水力学特性进行二维模拟,并将相间作用力 (包括拖曳力、虚拟质量力、断面升力、湍动扩散力和壁面润滑力等)和湍流相间相互作用考虑了进去,其模拟与实验结果表明气含率的径向分布情况对于大气泡是中心峰分布,对于小气泡是边壁峰分布,且侧向力和相间湍流对于正确预测气含率径向分布是两个至关重要的因素。袁景淇[48]等使用 Fluent 6.3软件对不同导流筒直径值的反应器中气液两相流动的过程进行了二维模拟,研究导流筒直径变化对气升式环流反应器中气含率和循环液速的影响,并且给出了所涉对象中导流筒直径的最优取值区间。沈春荣[49]等采用欧拉-欧拉两流体模型对气升式环流反应器内部气液两相流动过程进行了二维模拟,考察了液相速度和气含率随表观气速的变化,并对液相速度和气含率模拟值与两种经验关系式的计算值进行了比较,两者取得了很好的一致,证明了模型的正确性。在此基础上,使用计算流体力学模拟的方法考查了反应器内的导流筒直径和导流筒高度对反应器内两相流动的影响,并得出液相循环量和上升段气含率随导流筒直径的增大而增大,液相循环速度和循环量均随导流筒位置的升高而增大,但上升段气含率会减小。所获得的结果对气升式反应器的设计优化具有指导意义。

但是,二维模拟只能计算轴对称反应器,即只能给出一个具有代表性的面上的流动情况,不能完整地描述整个反应器内的流场特性[49]。然而,实际生产中的反应器很多并不满足轴对称条件,所以三维 CFD模拟已成为必然要求[42]。Mudde和 Van Den Akker[50]在低气体流速、稳态流的条件下对气升式反应器进行了二维和三维模拟,比较发现三维模拟比二维模拟更贴近实际。

3.2.3 三维模拟

随着计算机技术的发展,PC机速度和内存容量不再成为制约 CFD数值模拟技术发展的瓶颈,现已足以给 CFD三维模拟提供雄厚的技术支持。目前不少学者成功进行了这方面的研究。例如, HuangQingshan[36]等在三维圆柱参考坐标系下两流体模型的基础上,开发了一套编码对气升环流反应器中的气液两相流进行 CFD模拟。为了在高表面气体流速的模拟条件下节省模拟时间,模拟中采用了稳态模型。并对出口处的边界条件做了适当改进以获得具有现实物理意义的模拟方案。此外,为了处理非对称的气液两相流以及轴线上的流动,对轴线上的边界条件进行了三维变换处理。模拟得出两流体模型中的湍流分散作用对气含率的分布有显著影响并预测气含率径向分布是边壁峰分布。且该模型对上升区和下降区的平均气体滞留时间和平均液体流速做了预测,结果显示与 Van Baten[51]等的实验数据吻合,较好地模拟了反应器流体力学特性,因此可以用于指导反应器的放大。Jia Xiaoqiang[11,52,53]等用三维瞬态模型先后模拟了气 -液-固三相气升环流反应器的局部流体力学特性、三相气升环流反应器中固定化苯酚生物降解过程的动力学行为以及气液两相气升环流反应器中甲苯废气生物降解过程和质量动量传递过程。他们用MUSIG模型 (多尺寸组模型)确定气泡尺寸分布,且对生化反应与组分相间传质的关系进行了定量研究,以确定整个气升环流反应器的速度控制步骤。并成功地对系统的耐冲击性和局部瞬时分散变量(包括流体动力学参数和组分浓度)进行了预测。此外张秀华[54]等利用 Fluent软件对气升环流反应器进行了三维全尺寸的数值模拟,采用欧拉多相流模型和标准 k-ε模型模拟反应器内气液两相流动,获得了反应器内流场的详细分布,并在此基础上结合 FLOW 3D软件模拟物理流动现象,得到了直观清晰的动画,而传统的实验很难测得相关具体的数据。Fluent和 FLOW 3D软件的模拟结果与文献实验值吻合较好,说明了数值模拟的可靠性。这两种数值模拟结果对于反应器的优化设计及分析反应器内流动有着直观的指导意义,并使得定量分析和评价反应器内流动和混合效果成为可能。

4 目前 CFD模拟气升环流反应器存在的问题及今后的研究方向

虽然 CFD模拟气升式环流反应器近年来取得了很大进步,但是仍存在一些不足之处。 (1)由于局部的水力参数随时间的波动以及总体的液体循环流动都会影响到反应器中的剪切应力、混合特性和传质性能,所以局部流动特性也会对反应器的效率产生很大影响。但是,大部分模型只是局限于研究气含率和循环液速两个整体性技术参数,而鲜有涉及局部流动特性的参数[39],模拟不够全面。(2)目前 CFD模拟主要针对规则几何形状(圆柱形或方形)的气升环流反应器,优化结构参数也只局限于导流筒直径、导流筒 (板)高度、导流筒 (板)位置等参数,对不规则几何形状反应器的模拟还没有相关文献报道。此外,对于新型气升环流反应器比如气升式光生物反应器的模拟研究报道还比较少。(3) CFD模拟对物理模型、经验技巧还有一定的依赖,主观误差不可避免。

鉴于以上问题,今后的研究方向主要是：对气升环流反应器的 CFD模拟要做到尽量全面,整体性和局部性流动特性技术参数都不可或缺,二者相辅相成;深入认识反应器中流场的微观机理和内部相间作用力,真实准确地反映内部流场特性;研究对非规则几何形状的高效气升环流反应器以及气升环流光生物反应器的模拟,解决相关优化结构参数的选取等问题;进一步研究完善计算流体动力学相关理论,得到有通用性的准确的流体力学计算模型,提高模型的外推性,从而做到对反应器的客观真实的模拟,减小主观因素的造成的误差。

5 结 语

目前,用计算流体动力学方法研究气升式环流反应器内的流场已经取得了很大进展。尽管 CFD技术本身还存在着一定的局限性,然而由于其在研究流体流动方面的巨大优势,可以预见它结合实验观测与理论分析,互为补充,必然能发挥越来越大的作用。随着 CFD技术的进一步发展,对气升环流反应器内流动和微观混合的机理认识将越来越深刻,从而引导我们进行更加安全和优化的设计,使气升式环流反应器的研究与应用进入全新的发展阶段。

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