图18 直方图设置
图19 直方图显示
上喷式喷射器内气泡分布的模拟
发表时间：2012-7-17 作者: 郭方飞 姚云 来源: 安世亚太 关键字: Ansys CFD 气液混合
：喷射器是一种高效的气液混合设备，通过对上喷式喷射器内气液两相流中气泡尺寸分布的模拟，并和文献中的实验结果进行对比分析后，发现模拟结果与实验数据比较一致.在喷射器内气液泡状流中气泡尺寸分布主要受湍动控制的影响，当气相和液相流量分别增加时，两相间的传动及能量分配能够使气泡分散成更小的尺寸，从而增大传质效果。同时也证明采用Ansys CFD 模型和 PBM模型能够对喷射器内气液两相流中泡状流范围内的气泡尺寸分布进行较为准确的模拟。
1 引言
喷射器是一种应用非常广泛的设备结构形式，在化工、能源、环境工程、食品工程等各种工程行业中都有重要的应用，如化工中的喷射式反应器、低温工程的涡流喷射器，各种射流泵等。喷射器用于多相流在近年来越来越受到关注。由于喷射器内压力能和动能的相互转换，能够引起流体之间动能、动量的相互传递和分配，从而使得不同流体运动过程中在特定的条件下获得较好的流态，有助于相间传质传动，达到较好的混合效果。气液两相流的混合和传质效果很大程度上受到两相流型流态的影响。当其中一相在另一相中形成分散相后，能够增大相间接触面积，从而改善相间传质，本文即通过模拟的方法与实验的结果进行对比分析，讨论了喷射器内气液两相的运动和混合状态，了解喷射器内气液两相的分布，以提供分析气液两相之间传质过程的参考。实验采用粒子成像测速仪拍摄喷射器一段区域（成像较好）。
2 喷射器结构
2.1 基本结构
喷射器基本结构见图1。喷射器主要由喷嘴、直管段（混合段）、扩散段组成。
2.2 可调结构参数
图1所示的喷射器结构参数一般经过确定后，成为磨具的基本参数，实物模型基本不发生变化，如有变化，即成为另一喷射器模型。但喷嘴与直管段间的距离是可调的，该距离的不同，会影响液体进入喷射器直管段后的射流长度。本次模拟研究时此距离取7mm。
3 模型建立
气液两相为多相流，因此在建立模型的时候采用CFD中的多相流模型。在选择多相流模型时，首先根据气液两相可能形成的流型进行分析，根据不同的气液流速用实验的方法研究了两相流型，当气体流量为0.1m^3/h，液体流量0.2~1.0时均为泡状流。而当液相流量为0.6m^3/h，气相流量为0.1~0.4m^3/h时，两相流型也为泡状流，但有向雾状流过渡的趋势。本次研究的气液流量范围为两相成泡状流的情况，模拟时，具有颗粒行为模拟能力的模型有两种：群平衡方程（PopulationBalanceModel,PBM）和离散相模型（DiscretePhaseModel,DPM）。
3.1 群平衡方程（PopulationBalanceModel,PBM）
由于气泡行为的重要性，其分布又会随着传递和化学反应不断演变，是不同现象如核聚、生长、分散、溶解、凝聚和破碎等过程的联合。因此，在涉及
气泡分布的多相流中，就需要平衡方程来描述粒群变化，及其动量、质量和能量守恒。可以利用群平衡模型的例子包括结晶、从气相或液相沉降、泡罩塔、气体喷射、喷雾、流化床聚合、制粒、液液乳化与分离、气雾流等。商业化的软件包Fluent里已经嵌入气泡聚裂模型，且给出了不同的群平衡方程解法，如离散化群平衡法、标准矩法和二阶矩法。这给诸多对计算机编程能力比较弱的工程技术人员提供了很大帮助和方便，节省了大量的精力。具体的方程此处不再赘述，可参见AnsysFluenthelp内容。
3.2 离散相模型
离散相模型是用拉格朗日计算方法模拟离子、液滴、气泡的轨迹，如计算散布相的加热或冷却、流体液滴的汽化和蒸发、喷雾模型中液滴的分裂和融合等等。具体方程及模型可参见AnsysFluenthelp内容。
3.3 模型选择
对于简单的气液两相模型，当不考虑气体在液体中的分散状态时，可以将两相均视为连续相，当要细化其中一相的具体分布情况时，毫无疑问，群平衡方程PBM和离散相模型就需要被嵌入到基本的N-S方程中。PBM方程主要的作用是能够计算颗粒之间的作用，颗粒的聚并和分裂，在大宗流体内颗粒较多的时候可选用该方程。DPM模型主要用于计算分散相体积<12%,粒子之间的相互作用可以忽略的场合。本文的研究过程是液相喷射卷吸气相，在一定的流量范围内形成泡状流，在喷射器的受限空间内大量产生，气泡较多，因此可选择PBM模型。为了计算简化，节省计算成本，在模拟过程中对结构和过程进行了适度简化。
4 结果与讨论
4.1 实验结果1
作者在之前的一系列论文中通过PIV/PLIF实验的方法，测量了不同气液流量、流速对气液两相流流型的影响。文献[3]给出了喷嘴上无旋流器时喷射器内气液两相的各种流型。其中气相流量在0.1~0.4m^3/h，液相流量在0.2~0.8m^3/h。当液相不变时，取L=0.6m^3/h，气相流量在0.1~0.4m^3/h之间变化时，实验结果见图2。
当液相流量不变，进入喷射器的动能即不变，而气相流量增大时，相同的液相需要与更多的气相传动，导致了气液两相间能量分配不同，图3即表明了气量增大时，气体在液体内的分散程度首先增大，气泡增多，但随着气体更大，受限的喷射器空间和液相能量不能将气体完全分散成独立气泡的几率开始增大，有逐渐向其他流型转变的趋势。
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4.2 模拟结果1
采用ANSYS公司Fluent软件中的多相流模型（欧拉模型）和群平衡方程（PBM），首先对图2中气相流量为0.1m^3/h，液相流量为0.6m^3/h的情况进行了模拟。为了减小模拟的计算难度，采用了二维的几何模型。
混合段入口处采用了速度进口，扩散段出口处采用了压力出口。PBM模型嵌入Fluent后，采用了Discrete求解方法，气泡尺寸分为6组，根据最小气泡组的尺寸和合适的几何指数，由Fluent自动计算出其他几组的气泡尺寸大小。同时采用多相流模型，在第二相气相中，选择SauterDiameter作为计算相间相互作用的粒径大小。