·1096· 工程科学学报，第38卷，第8期 1,8 -0 > 1.4 12 3 0.8 2 ◆ 0.4 02 0 0 0.4 0.81.21.62.02.4 85 0.60.70.80.91.01.11.21.3 层底相对于炉底高度m 距离炉底的高度m 图10氧气和二氧化硫在不同高度处的摩尔流量 图7指定高度以下熔池内相界面积的时均值 Fig.10 Molar flow rate of 0,and SO,at different heights Fig.7 Mean interfacial area below the given heigh 时间.由于层高较小，各层气相中平均氧浓度可用底 反应会进一步发生，因此可以认为这一计算结果与文 面（气相入口）氧浓度近似.由于喷嘴处的氧浓度已 献6]报道和实际测量结果(95%~98%)基本一致. 知，因此利用式(8)可自下而上逐层计算氧气的消耗 另一方面，综合图5和图8~图10信息可以发现，氧化 量（如图8）、体积分数（如图9）以及摩尔流量（如 反应主要发生于0.56~1.00m高度范围的靠近风嘴 图10). 侧壁面的熔池区域（通常称为“高效反应区”），由于该 0.14 反应属于放热反应，因此该区域的壁面承受的热负荷 相对较大，理论上更易受到破坏.这一推论与工程实 0.12 际相符合 0.10 0.08 3结论 0.06 借鉴PLIC-VOF界面重构的思想，提出一种通过 对气液两相流数值模拟结果后处理，从而计算获取两 0.02 相相界面积的方法.该方法形式简单，易于计算机实 0.5 0.6 0.70.80.91.01.11.21.3 现，并可以方便地与FLUENT等流体仿真软件平台集 层底相对于炉底高度m 成，与气液相界面积的实验测定方法相比，不需搭建实 图8氧气在各层的消耗量 验平台，对两相物质的透光性等无特殊要求，具有更广 Fig.8 Consumption of 02 in each layer 的应用范围.以FLUENT软件为平台开发了相应的应 用程序，并将其用于分析铜锍吹炼PS转炉的数值模拟 0.25 结果.应用效果表明：(1)该方法能够有效地获取两相 0.20 流体系中不同时间、空间范围内的相界面积信息，为定 量分析两相流体系内的传热、传质以及物理化学反应 0.15 状态提供了依据.(2)基于获取的相界面积，分析了熔 0.10 池内主要化学反应的动力学特点，计算了氧气利用率， 识别出熔池内部高效反应区，计算和识别结果与实际 相吻合，在一定程度上证实了本文方法的准确性 85060.70.80.91.0111.21.3 相对于炉底的高度m 参 考文献 图9氧气在不同高度处的体积分数 Song HH.Wang X L,Li HH.Measurement and prediction of Fig.9 Volume fraction of 0,at different heights interfacial area on distillation tray.J Chem Ind Eng,2003,54 由图8~图10可知，气体在熔池内上升过程中氧 (8):1112 不断被氧化反应消耗，气体中氧含量逐渐降低（反应 (宋海华，王秀丽，李红海.精馏塔板上气液相界面积的测量 与预测.化工学报，2003,54(8)：1112) 产物二氧化硫含量逐渐升高)，在自由界面附近，氧气 2] Yang W G,Wang J F,Wang T F,et al.Experimental study on 体积分数约为1.17%，由此计算得到的氧气利用率约 gas-iquid interfacial area and mass transfer coefficient in three- 为94.4.考虑到在自由界面以上气液仍有接触，氧化 phase circulating fluidized beds.Chem Eng J,2001,84(3):485工程科学学报，第 38 卷，第 8 期 图 7 指定高度以下熔池内相界面积的时均值 Fig． 7 Mean interfacial area below the given height 时间． 由于层高较小，各层气相中平均氧浓度可用底 面( 气相入口) 氧浓度近似． 由于喷嘴处的氧浓度已 知，因此利用式( 8) 可自下而上逐层计算氧气的消耗 量( 如图 8 ) 、体 积 分 数 ( 如 图 9 ) 以 及 摩 尔 流 量 ( 如 图 10) ． 图 8 氧气在各层的消耗量 Fig． 8 Consumption of O2 in each layer 图 9 氧气在不同高度处的体积分数 Fig． 9 Volume fraction of O2 at different heights 由图 8 ～ 图 10 可知，气体在熔池内上升过程中氧 不断被氧化反应消耗，气体中氧含量逐渐降低( 反应 产物二氧化硫含量逐渐升高) ，在自由界面附近，氧气 体积分数约为 1. 17% ，由此计算得到的氧气利用率约 为 94. 4． 考虑到在自由界面以上气液仍有接触，氧化 图 10 氧气和二氧化硫在不同高度处的摩尔流量 Fig． 10 Molar flow rate of O2 and SO2 at different heights 反应会进一步发生，因此可以认为这一计算结果与文 献［16］报道和实际测量结果( 95% ～ 98% ) 基本一致． 另一方面，综合图 5 和图 8 ～ 图 10 信息可以发现，氧化 反应主要发生于 0. 56 ～ 1. 00 m 高度范围的靠近风嘴 侧壁面的熔池区域( 通常称为“高效反应区”) ，由于该 反应属于放热反应，因此该区域的壁面承受的热负荷 相对较大，理论上更易受到破坏． 这一推论与工程实 际相符合． 3 结论 借鉴 PLIC--VOF 界面重构的思想，提出一种通过 对气液两相流数值模拟结果后处理，从而计算获取两 相相界面积的方法． 该方法形式简单，易于计算机实 现，并可以方便地与 FLUENT 等流体仿真软件平台集 成，与气液相界面积的实验测定方法相比，不需搭建实 验平台，对两相物质的透光性等无特殊要求，具有更广 的应用范围． 以 FLUENT 软件为平台开发了相应的应 用程序，并将其用于分析铜锍吹炼 PS 转炉的数值模拟 结果． 应用效果表明: ( 1) 该方法能够有效地获取两相 流体系中不同时间、空间范围内的相界面积信息，为定 量分析两相流体系内的传热、传质以及物理化学反应 状态提供了依据． ( 2) 基于获取的相界面积，分析了熔 池内主要化学反应的动力学特点，计算了氧气利用率， 识别出熔池内部高效反应区，计算和识别结果与实际 相吻合，在一定程度上证实了本文方法的准确性． 参 考 文 献 ［1］ Song H H，Wang X L，Li H H． Measurement and prediction of interfacial area on distillation tray． J Chem Ind Eng，2003，54 ( 8) : 1112 ( 宋海华，王秀丽，李红海． 精馏塔板上气液相界面积的测量 与预测． 化工学报，2003，54( 8) : 1112) ［2］ Yang W G，Wang J F，Wang T F，et al． Experimental study on gas-liquid interfacial area and mass transfer coefficient in three￾phase circulating fluidized beds． Chem Eng J，2001，84( 3) : 485 · 6901 ·