适用于填料层气液传质流场的数值模拟方法

摘要

本发明提供了一种适用于填料层气液传质流场的数值模拟方法，包括如下步骤：S1:选择填料并设置填料层物理模型参数，S2:利用Solidworks软件建立填料层的物理模型，S3:在Fluent软件中选择与匹配的模拟模型；S4:设置材料属性，在Fluent软件中复制出含氨废水、空气相应的材料属性，确定氨气与水的逆反应机理；S5:设置边界计算域条件，实现气液相传质机理，模拟填料层内空气吹脱废水的过程；S6:设置边界条件；S7:计算填料层内流场，S8:对结果进行后处理，本发明不仅缩短了设备研发周期，还节约了成本，能够分析不同微观结构填料层对吹脱结果的影响，获得详细的流场分布。

权利要求

1.一种适用于填料层气液传质流场的数值模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：根据应用场景选择填料并设置填料层物理模型参数；

S2：根据所述物理模型参数利用三维建模软件建立填料层的物理模型，并采用网格划分软件划分网格；

S3：将划分网格的物理模型导入到Fluent软件中，在Fluent软件中选择与所述填料层的物理模型匹配的模拟模型；

S4：在Fluent软件中设置含氨废水、空气相应的材料属性，并确定氨气与水的逆反应机理；

S5：设置边界计算域条件，利用用户自定义函数并将自定义函数通过计算机语言输入到Fluent软件中来实现含氨废水与空气间的传质机理，模拟填料层内空气吹脱含氨废水的过程；

S6：设置边界条件；

S7：采用离散格式和数值算法，计算填料层内流场；

S8：对结果进行后处理；

在S1中，所述物理模型参数包括物理原型尺寸、填料孔隙率、粘性阻力系数以及惯性阻力系数；

在S4中，氨气与水的化学逆反应速率关系式为：

式中：k表示反应速率常数；Ea表示反应活化能；A表示指前因子；R表示理想气体常数；T表示反应温度；

根据所述氨气与水的化学逆反应速率关系确定氨气与水的逆反应机理；

在S7中，在计算所述填料层内流场时，根据吹脱过程的流体特性选择传质理论；

所述传质理论按照相界面稳定性强弱顺序分别有双膜模型、溶质渗透模型、表面更新模型；

所述S1根据实际需要选择合适的填料层(1)，通过实验法测量物理模型参数，物理模型参数包括物理原型尺寸、填料孔隙率、粘性阻力系数以及惯性阻力系数，各参数数值由下式给出：其中，ΔH为填料层1高度，μ是液体的粘度系数，1/α是填料层粘性阻力系数，C是填料层惯性阻力系数，ΔP为填料层1压降，ρ为液体的密度，V为流体的速度，|V|为矢量的值。

2.根据权利要求1所述的适用于填料层气液传质流场的数值模拟方法，其特征在于，在S1中，所述填料包括散堆填料或规整填料。

3.根据权利要求1所述的适用于填料层气液传质流场的数值模拟方法，其特征在于，S2具体为：根据气相与液相接触区域的分布，对填料层的物理模型设置网格密度划分六面体或四面体网格，并输出msh格式的网格。

4.根据权利要求1所述的适用于填料层气液传质流场的数值模拟方法，其特征在于，在S3中，所述模拟模型包括VOF模型、标准k‑e模型以及能量模型。

5.根据权利要求1所述的适用于填料层气液传质流场的数值模拟方法，其特征在于，在S5中，所述边界计算域条件包括孔隙率、惯性阻力系数、粘性阻力系数以及传质模型；

所述传质模型为双膜模型、溶质渗透模型或表面更新模型。

6.根据权利要求1所述的适用于填料层气液传质流场的数值模拟方法，其特征在于，在S6中，所述边界条件包括工质种类、压力入口条件、速度入口条件、压力出口、自由出口中的任一种或任多种。

7.根据权利要求1所述的适用于填料层气液传质流场的数值模拟方法，其特征在于，在S8中，对结果进行后处理包括将计算结果导入CFD‑POST软件进行处理。

说明书

适用于填料层气液传质流场的数值模拟方法

技术领域

[0001] 本发明涉及仿真分析技术领域，具体地，涉及一种适用于填料层气液传质流场的数值模拟方法。

背景技术

[0002] 随着城市化快速进展以及各行业生产规模急剧加大，氨氮废水造成的环境污染愈加严重。吹脱法作为处理氨氮废水的常用手段，在工程中得到广泛应用。吹脱法处理污水的效果和设备内部流体的流动特性密切相关，因此，研究流体流动特性对传质的影响有助于实际吹脱工程设备的设计与研发。

[0003] 吹脱塔由支承结构、填料层、液体分布器、进气系统组成。其中，填料层是气体与液体接触的主要场所，合理的填料层设计才能保证对氨氮废水最好的吹脱效果，达到吹脱法最优的吹脱效率。

[0004] 在过去的研究中，研究人员采用经验法、实验测试和仿真模拟的手段研究了吹脱法处理氨氮废水的工艺流程。其中，经验法通过试验研究影响因素变化时的吹脱处理数据,加以处理得到的反映各因素与脱氨率关系的表达式,对吹脱设备的研发设计具有指导意义。但由于流体流动的复杂性，只限于相同流动特性下的吹脱工艺，难以广泛应用于吹脱工艺设计。实验测试方法能够提供真实的水处理数据，对于验证仿真模拟结果具有重要意义，但是实验测试周期较长、成本较高，并且难以获得速度场、温度场等流场参数。与经验法相比，仿真模拟法能够处理复杂几何形状、复杂边界条件，适用范围更广；相比较实验测试法，仿真模拟方法周期短、成本低，能够分析不同微观结构的填料层对吹脱结果的影响，并且能够获得详细的流场分布。因此，流体仿真方法受到了越来越多的关注。

[0005] 仿真模拟通常包括建立几何模型、划分网格、设置边界条件、计算求解、后处理等五个部分。在吹脱工艺的模拟仿真过程中，如何确定填料层孔隙率与粘性阻力系数、惯性阻力系数等参数，以及如何确定气液两相的传质过程，是所需要解决的两个问题。

[0006] 专利文献CN104636552A公开了一种基于ANSYS CFX软件的氨基湿法脱硫喷淋单塔内脱硫过程的数值模拟计算方法，可针对不同氨基湿法脱硫塔内传质、传热过程的数值模拟，但该设计未提供确定填料层孔隙率与粘性阻力系数、惯性阻力系数等参数的方法。

发明内容

[0007] 针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种适用于填料层气液传质流场的数值模拟方法。

[0008] 根据本发明提供的一种适用于填料层气液传质流场的数值模拟方法，包括如下步骤：

[0009] S1：根据应用场景选择填料并设置填料层物理模型参数；

[0010] S2：根据所述物理模型参数利用三维建模软件建立填料层的物理模型，并采用网格划分软件划分网格；

[0011] S3：将划分网格的物理模型导入到Fluent软件中，在Fluent软件中选择与所述填料层的物理模型匹配的模拟模型；

[0012] S4：在Fluent软件中设置含氨废水、空气相应的材料属性，并确定氨气与水的逆反应机理；

[0013] S5：设置边界计算域条件，利用用户自定义函数并将自定义函数通过计算机语言输入到Fluent软件中来实现含氨废水与空气间的传质机理，模拟填料层内空气吹脱含氨废水的过程；

[0014] S6：设置边界条件；

[0015] S7：采用离散格式和数值算法，计算填料层内流场；

[0016] S8：对结果进行后处理。

[0017] 优选地，在S1中，所述物理模型参数包括物理原型尺寸、填料孔隙率、粘性阻力系数以及惯性阻力系数。

[0018] 优选地，在S1中，所述填料包括散堆填料或规整填料。

[0019] 优选地，S2具体为：

[0020] 根据气相与液相接触区域的分布，对填料层的物理模型设置网格密度划分六面体或四面体网格，并输出msh格式的网格。

[0021] 优选地，在S3中，所述模拟模型包括：VOF模型、标准k‑e模型以及能量模型。

[0022] 优选地，在S4中，氨气与水的化学逆反应速率关系式为：

[0023]

[0024] 式中：k表示反应速率常数；Ea表示反应活化能；A表示指前因子；R表示理想气体常数；T表示反应温度；

[0025] 根据所述氨气与水的化学逆反应速率关系确定氨气与水的逆反应机理。

[0026] 优选地，在S5中，所述边界计算域条件包括孔隙率、惯性阻力系数、粘性阻力系数以及传质模型；

[0027] 所述传质模型为双膜模型、溶质渗透模型或表面更新模型。

[0028] 优选地，在S6中，所述边界条件包括工质种类、压力入口条件、速度入口条件、压力出口、自由出口中的任一种或任多种。

[0029] 优选地，在S7中，在计算所述填料层内流场时，根据吹脱过程的流体特性选择传质理论；

[0030] 所述传质理论按照相界面稳定性强弱顺序分别有双膜模型、溶质渗透模型、表面更新模型。

[0031] 优选地，在S8中，对结果进行后处理包括将计算结果导入CFD‑POST软件进行处理。

[0032] 与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

[0033] 1、本发明的结果应用于实际工程设计不仅可以缩短设备研发周期，还可以节约开发成本，能够分析不同微观结构的填料层对吹脱结果的影响，并且能够获得详细的流场分布。

[0034] 2、本发明适用于填料塔吹脱氨氮废水的仿真模拟，通过实验法确认填料层的结构特征参数，在IECM软件中划分高质量的六面体网格，在Fluent软件中设置计算域条件，对于气液传质过程，利用用户自定义函数设置相间传质通量，最后进行求解计算，得到填料层内气液的组分浓度分布情况，为填料层的设计和应用提供理论指导。

[0035] 3、本发明是利用Fluent软件能够模拟不同工艺条件下的吹脱效果，直接得到浓度场和速度场图像数据，结果可视化，与实验法相比，耗时短、投入少，且科学可靠。

附图说明

[0036] 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

[0037] 图1为本发明提供的填料层内空气吹脱含氨废水的数值模拟方法流程图；

[0038] 图2为填料层物理模型；

[0039] 图3为采用Meshing软件划分的填料层的网格划分图；

[0040] 图4为各个时刻气相在填料层内浓度场分布示意图；

[0041] 图5为各个时刻填料层内流体流动时中心截面处的速度分布。

[0042] 图中示出：

[0043] 填料层‑1

[0044] 填料‑2

具体实施方式

[0045] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

[0046] 实施例1：

[0047] 本发明提供了一种适用于填料层气液传质流场的数值模拟方法，包括如下步骤：

[0048] S1：根据应用场景选择填料2并设置填料层1物理模型参数，所述物理模型参数包括物理原型尺寸、填料孔隙率、粘性阻力系数以及惯性阻力系数。填料2的选择上可以根据实际工程需求进行选择，填料2可采用散堆填料或规整填料。散堆填料在随机乱堆过程中具有一定程度规则排列的特点，因而压降低、通量大、液体分布均匀、操作弹性大，规整填料是一种在塔内按均匀几何图形排布，整齐堆砌的填料。由许多具有相同几何形状的填料单元构成。但散堆填料与规整填料相比，规整填料具有效率高、降压低、处理量大、气液布均匀、持液量小、放大效应不明显,操作弹性大等一系列优点。

[0049] S2：根据所述物理模型参数利用三维建模软件建立填料层1的三维物理模型，物理模型即为仿照实际工况的三维物理模型，并采用网格划分软件划分高质量的网格，三维建模软件建模后将物理模型导入网格划分软件划分网格，网格划分软件可以采用Meshing、ICEM、GAMBIT等软件，被划分的网格可以为六面体网格，也可以为四面体网格，三维建模软件优选采用Meshing软件，其中，网格的评价标准包括网格质量(elenment Quality)、偏斜率(Skewness)以及正交品质(Orthogonal Quality)等，高质量网格的评价标准为网格质量(elenment Quality)趋近于1，偏斜率(Skewness)趋近于0，正交品质(Orthogonal Quality)趋近于1。划分高质量的六面体结构网格包括：根据气液接触区域的分布，对填料层1物理模型设置合适的网格密度划分六面体网格，并输出msh格式的网格。

[0050] S3：将划分网格的物理模型导入到Fluent软件中，在Fluent软件中选择与所述填料层1的物理模型匹配的模拟模型，所述模拟模型包括VOF模型、标准k‑e模型以及能量模型。

[0051] S4：在Fluent软件中设置含氨废水、空气相应的材料属性，并确定氨气与水的逆反应机理，本实施例中的含氨废水为氨氮废水；氨气与水的化学逆反应速率关系式为：

[0052]

[0053] 式中：k表示反应速率常数，Ea表示反应活化能，A表示指前因子，R表示理想气体常数，T表示反应温度。根据所述氨气与水的化学逆反应速率关系确定氨气与水的逆反应机理，氨气与水的逆反应为：

[0054]

[0055] 当使用空气对含氨废水进行吹脱时，溶液中的氨气向空气转移，根据以上反应方程式，化学平衡向右偏移，促使铵根离子与氢氧根离子反应生成氨气。而氨氮废水与空气的流体力学行为会影响氨气向空气的传质过程与传质效果，进而影响反应的平衡。

[0056] S5：设置边界计算域条件，利用用户自定义函数并将自定义函数通过计算机语言输入到Fluent软件中来实现含氨废水与空气间的传质机理，模拟填料层1内空气吹脱含氨废水的过程，所述边界计算域条件包括孔隙率、惯性阻力系数、粘性阻力系数以及传质模型，所述传质模型为双膜模型、溶质渗透模型或表面更新模型。

[0057] S6：设置边界条件，所述边界条件包括工质种类、压力入口条件、速度入口条件、压力出口、自由出口中的任一种或任多种。

[0058] S7：采用离散格式和数值算法，计算填料层1内流场，其中，本实施例中采用离散格式和数值算法是指压力速度耦合采用简单(SIMPLE)算法，离散化方法中压力项采用标准算法，动量、湍动能、耗散率离散格式均设为一阶迎风标准，松弛因子及残差均采用默认值，在实际的应用中也可针对实际工况特点进行设定。在计算所述填料层1内流场时，根据吹脱工艺的流体特性选择传质理论，按照相界面稳定性强弱顺序，分别有双膜模型、溶质渗透模型、表面更新模型。

[0059] S8：对结果进行后处理，将Fluent计算所得数据导入CFD‑Post，通过建立平面，设置等高线的方式，获取结果中包含的流场和浓度场，实现结果的可视化处理。

[0060] 实施例2：

[0061] 本实施例为实施例1的优选例。

[0062] 本实施例中分析的填料层1尺寸为长0.1m、直径0.1m，建立该通道的物理模型并划分网格，分别仿真填料层1内液体和气体的流场。

[0063] S1：根据实际需要选择合适的填料层1，通过实验法测量物理模型参数，物理模型参数包括物理原型尺寸、填料孔隙率、粘性阻力系数以及惯性阻力系数，各参数数值由下式给出：

[0064]

[0065] 其中，ΔH为填料层1高度，μ是液体的粘度系数，1/α是填料层粘性阻力系数，C是填料层惯性阻力系数，ΔP为填料层1压降，ρ为液体的密度，V为流体的速度，|V|为矢量的值。

[0066] S2：利用Solidworks软件建立填料层1的物理模型，设置合适的网格密度划分六面体结构网格，划分六面体网格采用Meshing软件，并输出msh格式的网格。

[0067] 在本实施例中，填料层1高度方向上，网格密度为60，每个进出口面，网格密度为20，得到的网格模型如图3所示。

[0068] S3：将填料层1的网格模型导入Fluent软件，根据吹脱工艺特点，选用多相流模型中的VOF模型，选用组分运输模型、湍流模型中的标准k‑e模型和能量模型；吹脱工艺即将气体通入水中，使之相互充分接触，使水中溶解气体和挥发性物质穿过气液界面，向气相转移，从而达到脱除污染物的目的。过程中涉及到多相流理论及化学反应动力学理论，因此选用组分运输模型、湍流模型中的标准k‑e模型和能量模型。

[0069] S4：在Fluent软件中设定含氨废水与空气中的具体材料属性，并确定氨气与水的逆反应速率，逆反应速率由Arrhenius公式进行计算：

[0070]

[0071] 其中，k表示反应速率常数；Ea表示反应活化能；A表示指前因子；R表示理想气体常数；T表示反应温度。

[0072] S5：设定孔隙率、惯性阻力系数、粘性阻力系数等计算域特征参数，根据实际传质过程选择合适的传质模型。采用的传质模型有双膜模型、溶质渗透模型、表面更新模型，在本实施例中，根据溶质渗透模型计算相间传质通量，相间传质通量值Sm由用户自定义函数下式给出：

[0073]

[0074] 其中，k为传质系数，A为气液两相的接触面积，M为氨气的摩尔质量，CL是液相各组分的摩尔浓度之和，xA为液相中氨气的摩尔分率， 为相界面上氨气的摩尔分率，V为流体单元的体积。

[0075] 利用用户自定义函数编写滑移速度的计算程序，通过编译方式将自定义函数加载进入Fluent软件，然后在壁面的边界条件设置中，选择用户自定义函数提供的边界速度。

[0076] S6：根据实际需要，设置气相与液相的进口和出口边界条件，进口可以设置为压力入口、速度入口等边界，出口可以设置为压力出口、自由出口等。

[0077] 在本实施例中，分别设置两相的出口条件为速度进口边界和压力出口边界，气相进口流速为0.13m/s，液相进口流速为0.16m/s，液体工质选择为含氨废水，气体工质选择为空气。

[0078] S7：选择合适的离散格式和求解方法，进行数值求解。本实施例中，梯度离散选择基于单元体的最小二乘法差值，压力离散选择标准格式，动量和能量离散选择二阶迎风格式，求解方法选择SIMPLEC算法，对填料层1内的流场进行求解。

[0079] S8：对计算结果进行后处理。在本实施例中，将计算结果保存成cas和dat文件，然后导入CFD‑POST软件进行后处理，实现结果的可视化。图4是气体在填料层1内浓度场分布情况，图5是流体在填料层1内流动时中心截面处的速度分布。

[0080] 在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

[0081] 以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。