使用ANSYS Fluent和群体平衡模型对搅拌罐反应器中的气泡动力学进行建模
了解如何使用ANSYS Fluent和群体平衡模型来仿真多相搅拌罐系统中的复杂气泡动力学。
挑战
在传质、反应动力学或相分布由气泡行为驱动的各种工业应用中，对具有气泡聚集和破损的气液系统进行模拟至关重要。其中包括制药和食品工业中的发酵反应器、废水处理罐、浮选池、化学吸收塔和曝气反应器。在此类系统中，气泡的大小和分布直接影响气液界面面积，从而控制氧气转移速率、溶质吸收或反应效率。准确预测气泡在不同流体动力条件下的演化方式，可以更好地设计和放大反应器，确保工艺效率和产品质量。
这种类型的模拟解决了捕捉搅拌环境中气泡群的动态和不均匀性质的关键挑战，在搅拌环境中，气泡由于湍流而不断聚结（聚集）或分裂（破裂）。传统的多相模型通常假设气泡尺寸固定，这忽略了对传质和能量耗散的关键影响。通过使用人口平衡模型 （PBM），工程师可以解释气泡大小分布在空间和时间上的演变。这种增加的真实感对于优化反应堆性能、降低实验成本以及理解难以在大规模系统中直接测量的尺度相关现象至关重要。
工程解决方案
方法
我们将介绍如何使用群体平衡模型（PBM）在ANSYS Fluent中设置多相仿真，以捕获充满水的搅拌罐反应器中的气泡聚集和破裂。气泡在底部附近引入，并通过叶轮以不同的径向速度进行搅拌。我们使用廖模型来描述气泡相互作用的物理特性。该设置适用于涉及气液传质的化学、生化和废水过程。
主要特征：
- 欧拉多相模型（水+空气）
- 具有聚集和破损的 PBM
- 叶轮/挡板上的多参考系 （MRF）
- 该模型使我们能够研究角速度对气泡尺寸分布的影响
混：
- 型：欧拉
- 阶段：主 = 水，次 = 空气
- 气泡尺寸分布：群体平衡 （PB） 模型，采用离散方法，由 10 个气相箱（1 毫米至约 11 毫米气泡尺寸）组成。可以使用Ansys Fluent的尺寸计算器估算尺寸范围。
- 拖动法：Schiller-Naumann模型，具有表面张力效应，
气泡的聚集和破损模型
Fluent 有不同的工具来模拟气泡的破裂或团聚。在这里，我们使用Liao聚合模型，该模型考虑了湍流、涡流捕获、速度梯度、体力和尾流的影响。
廖断裂模型基于存在可以破坏气泡的阈值剪应力的假设。低于此值，气泡会变形。气泡破裂率也是表面张力和直径的函数。
这些模型的详细说明可以在Ansys Fluent理论手册中找到。这些模型捕获湍流引起的相互作用，使其适合此应用。
结果
更快的角速度会引起混合，这反过来又会增加气泡之间的碰撞频率。然而，剪应力的增加也可能导致气泡破裂。仿真可以帮助我们确定哪种状态更占主导地位，因为叶轮角速度、流速、流体特性和储罐几何形状的函数。可以观察到叶轮角速度的增加以促进气泡的混合并促进一定程度的聚结，但这可能取决于尺寸。以下是在三种不同角速度下生成的速度和直径曲线：
为了说明气泡的预期路径，我们可以使用与气泡本身具有相同大小和密度的颗粒实现单向离散相位法 （DPM），如下所示（请注意，气泡已放大 5 倍以便于可视化）。
| 10 rad/秒 | 20 rad/秒 | 30 辐射/秒 |
我们还可以以 1 毫米的小气泡的形式注入空气，以跟踪 30 rad/s 的聚结程度。气泡脱落时往往会在叶轮附近生长，如下所示。
使用ANSYS Fluent的PBM仿真CSTR中的气泡动力学，使我们能够探索不同混合条件下聚集和破损的复杂相互作用。这种方法为优化多相系统中的反应堆性能提供了重要的见解。
好处
ANSYS Fluent在对储罐中的气泡流动进行建模方面非常有效，因为它提供了强大的多相流求解器，如欧拉-欧拉模型和混合物模型。这些可以捕获关键的物理现象，例如气泡上升、聚结和破裂，从而可以详细预测搅拌或曝气系统中的气体滞留、液体再循环和相相互作用。
Fluent 的内置群体平衡模型 （PBM） 对于模拟气泡尺寸分布特别有用，这可以进一步影响传质、表面积和反应器效率。PBM 可以包括成核、聚结和破碎机制，并且可以使用用户定义函数 （UDF） 进一步定制，以考虑温度效应、可变性质或反应动力学。
能够对逼真的储罐几何形状（包括挡板、叶轮和喷射器）进行建模，使用户能够评估设计对气泡行为和混合的影响。Fluent 还支持物质和传热，从而能够预测相间传质（如氧溶解）和热梯度。这些功能共同使Ansys Fluent成为优化反应器、生物反应器和其他工业储罐中气泡驱动过程的强大工具。