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搅拌槽内的多相湍流是反应器工程放大研究的基础问题。多相湍流的实验研究在分散相相含率较高的情况下受到很大的限制,而常见的湍流模拟方法在多相搅拌槽的湍流模拟中也存在一定的缺陷。针对这种情况,本文开发了适用于多相搅拌槽模拟的显式代数应力湍流模型,为多相反应器的工程研究提供了一种新的方法。
本文将单相显式代数应力模型应用到搅拌槽的湍流模拟中,并基于一些简化思想将单相模型扩展为两相模型,与欧拉-欧拉多流体模型相结合,开发出适用于搅拌槽内多相流动模拟的两相显式代数应力模型。分别对搅拌槽内的固液、液液、气液两相体系进行了数值模拟,定量地预测了平均速度、脉动速度、湍流动能、相含率分布等。通过预测结果与实验数据的比较,验证了两相显式代数应力模型的准确性,同时也与文献中的k-ε模型和大涡模拟的结果进行了对比。结果表明,两相显式代数应力模型可以很好地预测多相搅拌槽内的流场和相含率分布,预测精度要优于k-ε模型。
对比了Gatski& Sepziale三基底、Gatski& Sepziale五基底和Wallin& Johansson五基底三种显式代数应力模型在搅拌槽单相模拟中的应用情况。结果表明,在收敛性方面,Wallin& Johansson五基底模型数值稳定性最好,解的残差最小。在流场的定量对比上,五基底模型的预测结果与实验数据更为吻合。总的来看,具有各向异性特性的Wallin& Johansson三维五基底显式代数应力模型非常适合于搅拌槽单相湍流的数值模拟。
应用Wallin& Johansson三维五基底显式代数应力模型对无挡板和带挡板搅拌槽内的单相流动进行了模拟。定量预测的关键参量与文献中报道的实验数据以及其它湍流模型如标准k-ε模型、代数应力模型、雷诺应力模型、大涡模拟等的模拟结果进行了对比,对显式代数应力模型进行了全面的评估。结果表明,显式代数应力模型的计算量与标准k-ε模型相当,远低于大涡模拟和雷诺应力模型;而在平均速度的预测上,显式代数应力模型对峰值和趋势的预测优于标准k-ε模型,与大涡模拟的结果相近。