王浩宇等：径向流吸附器布气系统结构对布气效果的影响 ·93· ·[(台)k]-pe (3) ae盟+t.pve)=-号(G-c)aev+ at T(Te+是Gv-cpeJ, (4) u。=u+Cpk2/e, (5) 式中，μ为黏性系数，P为流体密度，T为黏性应力张 量，k为湍动能，e为耗散率，o.o。C、C2和C,为k-e 双方程湍流模型常数. a (b 1.3初始条件和边界条件 图3径向流吸附器的物理模型图(a)Z型流动：(b)Ⅱ型流动 初始条件为：吸附床入口条件为质量入口，给定入 Fig.3 Physical model of the radial flow adsorber:(a)Z-shaped 口流量为12L·min,初始温度为300K,给定出口压 flow;(b)II-shaped flow 力为101325Pa;壁面上取非渗透性及非滑移条件，各 项速度为零，在吸附器对称面上采用对称边界条件. 为便于对径向流吸附器的布气效果进行比较，对 径向流吸附器的径向速度不均匀度给出定量表征☒. 62 定义径向速度不均匀度M: 110 M,= (6) 式中，F。为吸附床总的横截面积，心，为点i处的流动速 度，为截面平均流动速度.定义如下： a=元0wd服 (7) (a) M值越接近于0，说明径向流吸附器内布气越均 图4径向流吸附器的床层结构图（单位：mm).(a)Z型床层： 匀，效果越好：M值越大，则说明布气越不均匀，偏流越 (b)Ⅱ型床层 为严重. Fig.4 Bed structure of the radial flow adsorber (unit:mm):(a) 1.4网格划分与计算方法 Z-shaped bed:(b)II-shaped bed 对径向流吸附器进行了非结构网格划分，网格数 表1径向流吸附器的主要结构参数 量为944655，并通过了网格无关性检查.由于径向流 Table 1 Structure parameters of the radial flow adsorber mm 吸附器和气流分布器的几何尺寸相差较大，且气流分 结构参数 数值 结构参数 数值 布孔道结构较复杂，所以在气流分布孔周围采用局部 吸附器直径 220 中心流道直径 24 网格加密处理，如图5所示.利用CFD软件Fluent6.3 吸附器长度 210 吸附剂装填层厚度 62 对前述控制方程进行求解，方程离散采用有限体积法， 压力和速度的耦合算法采用COUPLED方法，收敛标 进气口直径 4 外流道宽度 30 准为离散化守恒方程的残差小于105. 进气口长度 40 气流分布孔厚度 3 出气口直径 3 中心流道开孔直径 2 模拟结果与分析 出气口长度 60 外流道开孔直径 8 2.1流道流动型式的影响 (2)动量方程： 图6给出了四种流动型式下，径向速度不均匀度 T·(pVV)=-VP+Vu.VV)+(T)门- M随吸附床径向长度的变化情况.由图6可以看出， (号)+R 在吸附床径向长度上，M曲线呈现出明显的“凹”型分 (2) 布，即中心流道气流分布孔和外流道的气流分布孔与 其中，4。和入为黏性系数，F为微元体质量力. 吸附剂装填区域交界处的M值较大，而在吸附剂装填 (3)k-e方程： 中心区域内的M值偏小且整体趋于平稳.出现上述现 a0.v.(pV)--3vvv 象的原因是由于中心流道分布孔和外流道气流分布孔 的存在，造成布气孔附近气流分布不均匀，导致两边的王浩宇等: 径向流吸附器布气系统结构对布气效果的影响 图 3 径向流吸附器的物理模型图． ( a) Z 型流动; ( b) Π 型流动 Fig． 3 Physical model of the radial flow adsorber: ( a) Z - shaped flow; ( b) Π-shaped flow 图 4 径向流吸附器的床层结构图( 单位: mm) ． ( a) Z 型床层; ( b) Π 型床层 Fig． 4 Bed structure of the radial flow adsorber ( unit: mm) : ( a) Z-shaped bed; ( b) Π-shaped bed 表 1 径向流吸附器的主要结构参数 Table 1 Structure parameters of the radial flow adsorber mm 结构参数 数值 结构参数 数值 吸附器直径 220 中心流道直径 24 吸附器长度 210 吸附剂装填层厚度 62 进气口直径 24 外流道宽度 30 进气口长度 40 气流分布孔厚度 3 出气口直径 24 中心流道开孔直径 4 出气口长度 60 外流道开孔直径 8 ( 2) 动量方程: Δ ·( ρV·V) = － Δ P + Δ ·μe［( Δ V) + ( Δ V) T ］－ ( Δ 2 3 ρ ) k + F． ( 2) 其中，μe 和 λ 为黏性系数，F 为微元体质量力． ( 3) k--ε 方程: ( ρk) t + Δ ·( ρVk) = － 2 3 ρk Δ ·V + τ· Δ V + Δ ·[ ( μe σ ) k Δ ] k － ρε， ( 3) ( ρε) t + Δ ·( ρVε) = － 2 3 ( C1 － C3 )·ρε Δ ·V + ( Δ με σε Δ ε ) + ε k［C1 τ· Δ V － C2 ρε］， ( 4) μe = μ + Cμ ρk 2 /ε， ( 5) 式中，μ 为黏性系数，ρ 为流体密度，τ 为黏性应力张 量，k 为湍动能，ε 为耗散率，σk、σε、C1、C2 和 C3 为 k--ε 双方程湍流模型常数． 1. 3 初始条件和边界条件 初始条件为: 吸附床入口条件为质量入口，给定入 口流量为 12 L·min － 1，初始温度为 300 K，给定出口压 力为 101325 Pa; 壁面上取非渗透性及非滑移条件，各 项速度为零，在吸附器对称面上采用对称边界条件． 为便于对径向流吸附器的布气效果进行比较，对 径向流吸附器的径向速度不均匀度给出定量表征［12］． 定义径向速度不均匀度 Mf : Mf = 1 F0 ∫ F0 ( 0 wi － w ) w 2 d 槡 F ． ( 6) 式中，F0为吸附床总的横截面积，wi为点 i 处的流动速 度，w 为截面平均流动速度． w 定义如下: w = 1 F0 ∫ F0 0 widF． ( 7) Mf值越接近于 0，说明径向流吸附器内布气越均 匀，效果越好; Mf值越大，则说明布气越不均匀，偏流越 为严重． 1. 4 网格划分与计算方法 对径向流吸附器进行了非结构网格划分，网格数 量为 944655，并通过了网格无关性检查． 由于径向流 吸附器和气流分布器的几何尺寸相差较大，且气流分 布孔道结构较复杂，所以在气流分布孔周围采用局部 网格加密处理，如图 5 所示． 利用 CFD 软件 Fluent 6. 3 对前述控制方程进行求解，方程离散采用有限体积法， 压力和速度的耦合算法采用 COUPLED 方法，收敛标 准为离散化守恒方程的残差小于 10 － 5 ． 2 模拟结果与分析 2. 1 流道流动型式的影响 图 6 给出了四种流动型式下，径向速度不均匀度 Mf随吸附床径向长度的变化情况． 由图 6 可以看出， 在吸附床径向长度上，Mf曲线呈现出明显的“凹”型分 布，即中心流道气流分布孔和外流道的气流分布孔与 吸附剂装填区域交界处的 Mf值较大，而在吸附剂装填 中心区域内的 Mf值偏小且整体趋于平稳． 出现上述现 象的原因是由于中心流道分布孔和外流道气流分布孔 的存在，造成布气孔附近气流分布不均匀，导致两边的 · 39 ·