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1、倾斜塔板漏液的三维数值模拟及实验 打开文本图片集 摘 要：塔体受到横向载荷作用，板式塔的塔板倾斜，塔板上液层出现非等高。在冷模试验塔装置中以空气-水为试验介质，对倾斜塔板的漏液性能进行了试验探讨。试验表明，塔板倾斜方向与液相流淌方向相同时，倾斜塔板漏液小于水平塔板，倾角越大漏液越少，塔板气相操作下限减小;塔板倾斜方向与液相流淌方向相反时，倾斜塔板漏液大于水平塔板，倾角越大漏液越多，塔板气相操作下限增大。利用计算流体力学的双欧拉模型对倾斜塔板的漏液状态进行了三维数值模拟，模拟结果同试验结果吻合较好。模拟结果显示，倾斜塔板在液层非等高剖面上发生不匀称漏液，倾角大的塔板在液层薄的区域发生气相沟流现象
2、。 关 键 词：计算流体力学;漏液;数值模拟;气含率;倾斜塔板 中图分类号：TQ053.5 文獻标识码： A 文章编号： 1673-046012-2875-04 Abstract： The tray of the plate tower was inclined and the liquid layer on the tray was non-equal when the tower body was subjected to lateral load. Weeping of inclined trays was studied experimentally using air-water a
3、s experimental medium in cold model test tower. The results showed that the weeping of the inclined tray was smaller than that of the horizontal tray， the weeping of tray reduced with the increase of inclination angle and the lower limit of gas phase operation of tray decreased when the inclined dir
4、ection of the tray was the same as the liquid flow direction. The weeping of the inclined tray was larger than that of the horizontal tray; the larger the inclination angle， the more the weeping， and the lower limit of gas phase operation of tray was increased when the inclination direction of the t
5、ray was opposite to the direction of liquid flow. The two-Euler model of computational fluid dynamics was used to simulate the weeping of inclined trays. The simulation results were in good agreement with the experimental results. The simulation results indicated that uneven weeping occurred on non-
6、contour profiles in the inclined tray. Gas phase channeling appeared in the region of thin liquid layer with large inclination tray. Key words： Computational fluid dynamics; Weeping; Numerical simulation; Gas holdup; Inclined tray 板式塔在操作状态时，塔板上存留肯定高度的液层，塔体受到横向载荷发生挠曲时，塔板上液层在液体流淌方向上出现不等高1。塔顶挠曲最大，液层非等高
7、从塔底起先向上逐层加剧。张平2探讨了这种液层不等高对塔板流场的影响，发觉塔板回流区位置发生了变更。匀称气相通过非等高的液层时，液层厚的区域比液层薄的区域更易发生漏液，造成了塔板沿液体流淌方向发生不匀称漏液。塔板漏液是一种导致塔板效率降低的纵向返混现象，试验证明，塔板漏液不匀称分布对塔板效率有很大影响3赵培等4用试验方法探讨了十字旋阀塔板的漏液性能，获得了十字旋阀塔板漏液点孔速的关联式。刘静5以泡罩立体筛板为探讨对象得到漏液点气速与堰高和液体流量的关系。在0.5m0.5m的矩形筛孔塔板的漏液操作状态的CFD模拟中，孙玉春6进行了初步的尝试，模拟结果与LB方法7的计算结果基本吻合。Ali8，9利用
8、欧拉-欧拉双流体模型数值模拟了矩形塔板和圆形塔板的干板压降和塔板漏液，模拟结果与试验结果基本一样。 以上探讨者对塔板漏液的探讨，都认为塔板是水平的。由于塔体受到风载荷等横向载荷作用，倾斜塔板上产生非等高的液层，如图1所示。 本文采纳能变更塔板倾斜角度的试验塔装置，利用水-空气为试验操作介质，测定了不同溢流强度、不同塔板倾角下，漏液随空塔气速不同的改变量。利用欧拉-欧拉双流体方法中标准k-湍流模型，对倾斜塔板在漏液状态下的状况进行了数值模拟，探究了倾斜塔板沿液相流淌方向不匀称漏液的分布状况。 1 试验塔装置及测定方法 1.1 试验装置 测量倾斜塔板漏液的冷模试验塔装置的结构示意图如图2所示。 试
9、验塔与底座利用螺栓连接，试验塔两侧各有一个调整螺钉，可以变更塔体倾斜角度。试验中，空气首先由气泵输送，由转子流量计测速后由塔底进入塔内，自下而上通过塔中的各层塔板;同时水箱中的水由水泵加压输送，经转子流量计测速后从塔顶注入塔内，气液两相在塔板上接触，空气接着上升从塔顶排空。试验装置中用于测定漏液的倾斜塔板的结构尺寸如表1所示。 1.2 试验步骤 试验前，将塔体左右两侧的调整螺钉调到同一高度，然后调高左侧的螺钉，使塔体向右倾斜，使测定塔板的倾斜方向与液相流淌方向相反。记录螺钉的调整高度，塔底收集漏液的阀门处于打开状态。试验塔正常操作起先后，保持液相流量和塔板倾角不变，降低气泵流量，使塔板产生漏液
10、，关闭塔底收集漏液的阀门，2 min后打开收集漏液阀门，计量漏液的体积。保持塔板漏液状态及塔板倾角不变的状况下，变更液相流量，测量漏液。在气相和液相流量都不变的状况下，调整螺钉的高度，变更塔板的倾角，测量漏液。 2 CFD数值模拟 2.1 数学模型 当气相以肯定速度通过塔板上肯定厚度的液层时，气液两相是相互贯穿的连续介质，故选用欧拉-欧拉方法，采纳标准k-湍流模型封闭连续方程和动量方程。 2.2 网格划分及边界条件 冷模试验塔的塔板直径为380 mm，可以忽视液面落差的影响，故倾斜塔板数值模拟没有设定液体入口和液体出口，模拟时塔板上方“PATCH”肯定高度的水相。倾斜塔板的计算模型及边界条件如
11、图3所示，X轴方向代表冷模试验塔液相流淌方向。 为了与试验对比，模拟塔板的结构尺寸与表1相同，塔板上高度为150 mm，塔板下高度为50 mm。模型利用FLUENT软件进行数值模拟，采纳非结构六面爱护体网格。经过网格无关性检验，最终确定X轴方向、Y轴方向的网格大小为2 mm，Z轴方向的网格大小为5 mm。筛孔处的网格进行了细化，网格尺寸最大为1.5 mm，整个计算域的网格总数大约为140万左右。采纳空气和水为模拟工作介质，气体入口采纳速度入口边界条件，压力出口作为气体出口的边界条件，出口静压为0，无滑移壁面边界作为壁面条件。 2.3 数值模拟过程 SIMPLEC算法应用到压力-速度耦合方程中，
12、动量、湍动能和湍动耗散率方程的离散都采纳二阶迎风格式，计算精度为10-3。模拟起先时，计算域的空气体积分率为1，即全部为空气，然后在塔板上方给予肯定高度的水，然后从气体入口起先计算。监测气体注入的时间，提取塔板下部的液相体积分率，同时提取筛孔处液相的质量流率。 3 结果和探讨 3.1 倾斜塔板漏液的试验结果 在塔板溢流强度Lw=1.6210-3m3s-1m-1时，塔板漏液量随空塔气速动能因子改变曲线如图4所示，图4表示塔板倾斜方向和板上液体流淌方向相同，图4表示方向相反。方向相同时，倾斜塔板漏液量小于水平塔板，倾角越大漏液量越少，倾角2和4塔板最大削减分别8.07%和15.07%。方向相反时，
13、倾斜塔板漏液量大于水平塔板，倾角越大漏液量越多，倾角2和4塔板最大增加分别36.85%和46.81%。在FS=0.9 ms-10.5时，漏液量的削减变缓，这时塔板有气相沟流现象。 为了保证板式塔的正常操作，规定塔板漏液量不能大于液相流量的10%，当溢流强度Lw=1.6210-3 m3s-1m-1时，冷模塔的操作下限对应的漏液为4.1610-2 kgs-1，水平塔板的气相操作下限为0.25 ms-1。方向相同时，2倾角塔板和4倾角塔板气相操作下限分别0.20和0.17 ms-1;方向相反时，2倾角塔板和4倾角塔板气相操作下限分别0.31 ms-1和0.37 ms-1。 FS=0.44 ms-10
14、.5时，塔板漏液量随塔板溢流强度的改变曲线如图5所示，图5表示塔板倾斜方向和板上液体流淌方向相同，图5表示方向相反。可以看出，塔板漏液量随着溢流强度的增加而增大。方向相同时，随着溢流强度的增加，水平塔板和倾斜塔板的漏液之差渐渐减小，方向相反时，漏液之差渐渐加大。 3.2 CFD模拟结果 当Fs=0.44 ms-10.5时，气相注入时间t=0.5 s时，在液层非等高剖面内的漏液状况如图6所示。图中可以视察到，沿塔板X軸方向，水平塔板液层等高并产生匀称漏液，倾斜塔板液层非等高发生不匀称漏液。倾角4的塔板在液层薄的区域有气相沟流现象。 FS=0.44 ms-10.5时，水平塔板漏液的CFD模拟结果同
15、试验和HM11公式的对比如图7所示。可以看出，CFD的模拟结果同试验结果以及公式计算结果是基本吻合的。CFD模拟和试验测量的结果比公式计算结果小，因为气速增大，有一部分漏液被气相带回塔板。 塔板向左倾斜，FS=0.22 ms-10.5，Lw=1.0810-3 m3s-1m-1时，沿着塔板X轴方向筛孔的漏液分布如图8所示。可以看出，水平塔板漏液沿着X轴方向改变不大，相邻筛孔漏液平均相差为0.51%，可以认为是匀称漏液。倾斜塔板沿着X轴方向，漏液量渐渐减小，相邻筛孔漏液相差最小为2.56%，最大为21.56%，发生不匀称漏液。 4 结论 塔板倾斜方向与板上液相流淌方向相同时，倾斜塔板漏液量小于水平
16、塔板，倾角越大漏液量越少，塔板气相操作下限减小。塔板倾斜方向与板上液相流淌方向相反时，倾斜塔板漏液量大于水平塔板，塔板气相操作下限增大，倾角越大漏液量越多。 傾斜塔板的漏液量随塔板溢流强度增加而增大。随着溢流强度的增加，出现液面落差，塔板倾斜方向与板上液相流淌方向相同时，水平塔板和倾斜塔板的漏液之差渐渐减小;塔板倾斜方向与板上液相流淌方向相反时，漏液之差渐渐加大。 沿着液相流淌方向，水平塔板基本呈匀称漏液状态，倾斜塔板发生不匀称漏液，尤其在液层最薄处，漏液量和其它筛孔相差很大。三维数值模拟可以定量分析每个筛孔的漏液分布状况，对探讨倾斜塔板的不匀称漏液有较好的实际意义。 参考文献： 1 张平，
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