耦合介尺度运动的液液两相搅拌流动的高精度模型和模拟

Scale-up effect is one of the key problems resulting in low production yield and high material/energy consumption of industrial stirred reactors. With development of computational technology, mathematic model and numerical simulation become gradually a reliable way to understand the scale-up effect. Traditional multiphase models have the shortcoming of low computational accuracy when simulating liquid-liquid flow in stirred tanks. Besides, high-accuracy numerical methods are encountered with poor numerical stability and huge computational load. In order to overcome these problems, multiphase flow models and numerical methods for the simulation of liquid-liquid flow in stirred tanks are investigated in this project. Based on mesoscale dynamic models, the two-phase explicit algebraic stress model (EASM) and interphase drag force model with turbulence and phase holdup corrections are to be developed. Combining with the population balance equation (PBE), a CFD-EASM-PBE coupled model and numerical method will be established. In addition, particle image velocimetry (PIV) technique is employed to measure some key parameters of liquid-liquid flow for validation of the model and numerical method developed. Thus, a reliable research tool for multiphase flow with high-accuracy and low computational cost is anticipated, which lays the scientific foundation for optimizing the design and scale-up of reactors for fast liquid-liquid reactions.

放大效应是导致工业搅拌反应器产品收率低、物耗能耗高的关键问题之一。随着计算机的发展，数学模型和数值模拟逐渐成为研究反应器放大效应的有效方法。传统的多相流动模型和方法在模拟搅拌槽内液液体系流动方面精度偏低，而高精度的模拟方法又存在数值稳定性差、计算消耗大等缺点。为解决上述问题，本项目从多相流动数学模型和模拟方法出发，对搅拌槽内液液体系两相流动进行模拟研究。围绕"耦合介尺度运动的多相流动模型"这一科学问题，构建介尺度行为影响下的两相显式代数应力模型（EASM）和湍流及相含率修正的相间作用力模型，结合粒数平衡方程（PBE）形成CFD-EASM-PBE耦合模型和计算方法。为了验证模拟结果，采用粒子图像测速（PIV）方法对搅拌槽液液流动关键参数进行测量。最终形成可靠的高精度、低计算负荷的多相流动模拟工具，为优化调控液液快反应过程、降低放大效应奠定理论基础。

反应器放大是化工生产和工程设计的核心问题，是提高产品收率和质量，降低能耗物高的关键。传统的反应器放大采用逐级试验方法，成本高、周期长且效率低，往往放大后收率降低。随着计算机技术的发展，采用模型与模拟方法的数值放大技术是解决放大效应的有效方法。然而对于非均相复杂系统如液液流动与混合过程的模拟，传统的数学模型仍存在精度低、稳定性差或计算消耗大等缺点。为解决上述问题，本项目以快而准的数学模型和数值模拟为中心，对搅拌槽内多相流动和混合过程开展研究。首先研究了不同的湍流调制模型，比较了各模型对预测结果的影响，构建了同时考虑湍流增强和减弱效应的两相显式代数应力模型。然后研究了考虑液滴尺寸分布的PBE模型，建立了液液体系模拟的PBE耦合模型和计算方法。由于液滴尺寸分布于局部的湍流耗散密切相关，本项目采用PIV设备实验测量了搅拌槽内流体的湍流流动，分析了湍流能量耗散的规律。在此基础上，对液液体系微观混合过程的模型与模拟开展研究。将混合分数方差引入卷吸模型，建立了CFD耦合微观混合机理的非均相微观混合模型。基于两相显式代数应力模型，构建了两相FM-PDF方法并模拟了液液体系中的硫酸钡沉淀过程。本项目开发了快而准的数学模型和模拟方法，并在此基础上形成了可靠的反应器数值放大技术，同时编制了计算程序和代码。这些成果一方面加深了对搅拌槽内多相流动与混合的认识，另一方面也对其他类型反应器的模型化以及更为复杂的传递和化学反应过程的模拟研究有良好的借鉴作用，可为多相反应器的设计放大和优化调控提供理论基础。