内置阻块型微混合器内流体混合强化的数值模拟

时间:2017-7-18 9:25:00 来源:本网 添加人:admin

  化学工程内置阻块型微混合器内流体混合强化的数值模拟王昆,王嘉骏冯连芳,顾雪萍(浙江大学化学工程与生物工程学系化学工程联合国家重点,图中数据单位为Pm混合器以每800Pm为1个混合单元,分为5个单元。采用非结构化四面体网格,并在阻块周围加密网格,网格无关性计算表明网格数约11万时为佳,TrmTr和mTr的实际网格数分别为11.2万,11.37万和11.扩散系数。采用物质输运模型中完全多组分扩散形式在FUn中实现流体混合过程,混合组分间分子扩散系数D=2 10m/s为了减少模拟过程中数值扩散的影响,采用三维双精度计算方式,动量和浓度的计算采用二阶迎风方式,以层流模型求解控制方程,残差设置为10 2kg/m,黏度为8577X104Pa.S入口边界条件为速度入口类型,单通道入口流速别为0 058011601741.16232/S主通道内ReRe=2dU仍水力直径d=200Pm)分别为0027005400810541.08出口为流出型边界条件,表压为0壁面无滑移。

  2结果与分析21速度场首先,为了验证模拟的正确性,比较相同条件下混合器内流体速度的的变化,这将有利于诱发产生混沌对流。

  22流体径向线拉伸流体流过混合器V形凹槽和阻块区域时,轴向和径向均会产生速度梯度,使流体拉伸,但只有径向拉伸能提升流体的混合效果。因此,文中仅分析流体的径向拉伸率及线拉伸。流体径向拉伸率ez面平均径向拉伸率bav和线拉伸S分别由以下公式计算:轴向长度成指数增长关系,表示流体间的接触面积随混合器长度成指数增(长Ai这是混沌遵合的寺fcishingI用以下公式1r混合程度作定量评价i.netbookmark3表1微混合器内能耗及L0的比较(Re=0压降/Pa由上可知,流体的混合程度与操作参数相关。

  考察混合量纲一长度L/w与PCPe=dU/D)的关系,发现L>/w与npe成一次函数关系,如所示。由图可见,随着pc数增大,L>/w也增加,说明流体混合相对更难;相同的P数下,mTr的L/w相对较小。因此,对一定通道宽度的微混合器,可以通过改变P数,可确定不同操作条件下,流体达到完全混合所需要通道长度,进而指导微混合器结构的优化设计。

  3结论本研究针对流体混合效果较好的Tw型微混合器,采用计算流体力学(CFD)方法模拟得到通道内速度场,并采用物质输运模型得到流体混合快照图,CD数值模拟结果与实验结果吻合良好。

  为了强化流体混合,设计了2种新结构微混合器mTwr和mTwr并采用CFD模拟方法考察和对比了它们的混合性能及能量消耗。发现V形凹槽及阻块的设置,使微混合器通道内流场受到周期性扰动,产生较大径向速度;流体径向线拉伸与混合器通道长度成指数增长关系,李雅普诺夫指数为正数,表明通道内引发了混沌流;微混合器通道内阻块的数量及倾斜设置可以增大混沌流,而能耗基本不变,对流体的混合具有一定的强化作用。

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