鼓泡塔(浆态床)是一种常见的气-液(气-液-固)接触与反应装置,具有结构简单、传质传热快、混合均匀、无移动部件及操作维护费用低等优点,在化工、环境、生化、能源等领域应用广泛。工业费托合成浆态床底部安装有气体分布器,其性能决定着气泡初始尺寸和流动参数的初始分布；内部还安装有密集的换热列管束来移除大量的反应生成热,列管的存在显著影响着床内的流体流动和传热传质规律,给反应器的设计与放大增加了很大的困难。因此,针对大型鼓泡塔的气体分布器和换热列管内构件开展有关的流体力学研究,对这两类重要内构件的设计以及反应器的放大都具有重要的应用价值。然而,迄今为止的文献中关于鼓泡塔的流体力学研究大部分针对的是低气速、小塔径及无内构件、充分发展段的情况,关于高气速、大塔径、含密集列管内构件的流体力学研究还很不充分,在分布器与密集列管束耦合作用下的鼓泡塔内流动规律还没有得到明确的认识。有鉴于此,本论文将针对高气速湍动鼓泡流型下的大型鼓泡塔内分布器布气方式和列管内构件的配置对流动的发展、流动参数分布的影响开展研究,采用实验测量及计算流体力学(CFD)两种方法系统地研究空塔及带内构件的鼓泡塔内流体流动规律,建立相应的鼓泡塔流体力学模型,用于反应器模拟与内构件设计。论文内容包括以下几个方面：1.布气方式对鼓泡塔流动影响的实验测量 采用电导探针和Pavlov管在外径800111111(内径760mm)无列管的大型鼓泡塔冷模实验装置内测量了不同表观气速(0.08～0.62m·s-1)、三种布气方式(均匀布气、中心布气及近壁布气)情况下的平均气含率、不同轴向高度的局部气含率、轴向液速以及液相脉动速度的径向分布规律。实验表明,在无内构件的空塔内分布器的影响只限于约3倍塔径的局部范围,塔中上部存在一个流动参数分布与布气方式和塔高无关的充分发展段；但分布器产生的初始分布沿塔高的发展受到布气方式、表观气速及塔径的影响：均匀布气与中心布气时流动发展比近壁布气快；同时表观气速越大,塔径越小,流动发展越迅速。2.布气方式对鼓泡塔流动影响的CFD模拟建立了基于双气泡模型的三相(液相、大气泡相以及小气泡相)流体力学模型,对不同布气方式下的鼓泡塔内流动进行了模拟,计算的气含率、轴向液速以及脉动速度的三维分布与实验结果符合良好。模型反映了大小气泡由于受到的横向作用力方向不同,在塔内将产生分离过程：大气泡富集在中心区而小气泡富集在近壁区。这种分离机制对气含率的非均匀分布以及塔内流动的发展有重要的影响。双气泡模型能够预测不同塔径鼓泡塔的流体力学规律,反映分布器影响区随着塔径增大而延长的现象。3.布气方式对列管塔内流动影响的实验研究在(?)800 mm鼓泡塔内测定了不同布气方式、列管密度以及表观气速下的气含率、液速以及液相脉动速度的三维分布,发现列管塔与空塔的流动规律截然不同：空塔中气体分布器的影响是局部性的,而列管塔中却是全局性的,流动参数的初始分布决定着其全塔分布,分布器影响区贯穿全塔,不同布气方式产生的流动规律完全不同,塔内未观察到充分发展段存在的迹象。大型列管塔中的这些实验现象刷新了对列管塔内流动图案的认识,凸显了气体分布器在列管塔放大设计中的重要性。4.布气方式对列管塔内流动影响的CFD研究将列管内构件对流体的作用体积平均化,考虑为两相流体力学方程中的动量源项、湍流动能源项以及湍流耗散源项,同时对升力系数进行修正以描述列管对气泡横向运动的影响。模型计算的气含率、液速以及液相脉动速度径向分布与实验值大体相符。模型能够反映小塔径列管塔内分布器影响区延长、充分发展段中流动趋于陡峭的现象,同时也能描述大型列管塔中初始分布的发展。根据模型,可以理解大型列管塔内充分发展段消失的原因是：一方面,列管对湍流的抑制引起湍流粘度降低,而且在大塔径内湍流粘度的降低更为显著,导致流动沿塔高的发展减慢；另一方面,高气速下列管对大气泡横向运动的阻碍使得气泡由空塔内的螺旋式上升变成列管塔内的直线式上升,倾向于保持初始的气含率与速度分布。5.针翅列管塔内流体力学的研究提出采用针翅列管内构件技术来强化传热,同时降低列管塔内分布器影响的敏感性。实验测量了针翅列管塔内不同布气方式下鼓泡塔内流动参数的分布,发现针翅列管具有流动稳定器的功能,能够在一定程度上改善列管塔内流动参数的不均匀分布,缓解分布器影响过于敏感的现象。实验还发现,针翅列管的非均匀布置将引起塔内的气体短路现象,而光滑管的非均匀布置对塔内流动影响不大。6.列管约束下气泡运动规律的CFD模拟采用流体体积元(VOF)模型对受列管约束的气泡运动规律进行模拟,揭示列管内构件的“壁面效应”,结果表明列管密度、列管布置方式及列管直径对不同大小气泡的运动轨迹、形状、浮升速度、破碎以及湍动行为的影响显著,从气泡运动角度进一步认识列管的空间限制作用,有助于理解列管塔中宏观大尺度的两相流动规律。