化学反应过程中气一液两相流传质性能的数值模拟

裴旭涛

（中核第七研究设计院有限公司，山西　太原　030032)

摘 要：气一液两相流传质在化学反应过程中具有重要应用。针对气一液两相流系统的传质特性，建立了基于计算流体动力学(CFD)的数值模拟模型。采用欧拉一欧拉两流体模型描述气液两相流动,引入标准k一8湍流模型模拟湍流特性,通过求解连续性方程、动量方程和组分传输方程，获得了气液两相的流场分布、传质系数及浓度场分布。结果表明，气泡尺寸越小,传质效果越好;气液流速比在1.5 ~2.5 范围内传质效率最高;操作压力的增加有利于传质过程的进行。

关键词：气液两相流;数值模拟;传质性能;湍流模型;计算流体动力学(CFD)

0 引言

气一液两相流传质广泛存在于化工、生物、环境等领域的化学反应过程中。准确预测和优化传质性能对提高反应效率、降低能耗具有重要意义。近年来，随着计算流体力学(CFD)技术的发展，数值模拟已成为研究复杂流动和传质过程的重要手段。然而，由于气液界面动力学行为复杂，传质机理尚未完全闸明，建立准确的数值模型仍面临挑战。目前,国内外学者对气液两相流的研究主要集中在流动特性和流型转换方面，而对传质性能的系统研究相对较少。因此，开展气一液两相流传质性能的数值模拟研究，对于深人认识传质机理、优化工艺参数和指导工程实践具有重要的理论意义和应用价值。

1　气一液两相流动的数学模型

气液两相流雷诺数反映了惯性力与黏性力的相对大小，是表征流动状态的重要参数。压力梯度方程综合考虑了重力项、摩擦项和加速项的影响，其中摩擦项与流体流量、管径大小密切相关。流体运动遵循N-S方程，该方程包含了局部加速度项、对流加速度项、压力梯度项和黏性耗散项。在湍流条件下，引人湍流动能和耗散率来描述湍流脉动特性。通过求解二阶偏微分方程，可以获得流场中的速度分布、压力分布等重要信息。该数学模型考虑了气液两相的密度差异、相间作用力、流速分布、压力梯度以及湍流特性，能够有效描述化学反应过程中的传质现象，为反应器优化设计提供理论依据。合理的气液两相数学模型对于准确预测传质性能、优化工艺参数具有重要意义。

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