基于高粘度介质对气液两相混合的数值模拟

为了探究高粘度介质在泰勒涡釜式搅拌反应器内的气液流动与混合特性，采用数值模拟与实验相结合的方法，通过对比分析在不同介质下，反应器内泰勒涡流对流场、气含率及速度分布的影响。结果表明：在低粘度介质的流场内，能在250 rpm转速下，快速地形成满涡泰勒涡，泰勒涡能促进气相均布性，同时增强气液相间传质，但容易失稳，满涡结构仅能在较窄的转速范围内维持稳定；在高粘度介质的流场内，在550 rpm转速下形成的满涡泰勒涡胞具有数量多、分布均匀、大小相似、形状规则等特点，能够抑制气液相间传质，且满涡结构能够在较宽的转速范围内维持稳定，同时使轴向上的速度出现分层分级现象，具有类似正弦的周期性变化规律，不同高度径向上的速度均匀性提升20.5%，增强了反应器内的流动稳定性。研究结果为高粘度介质在泰勒涡釜式搅拌反应器内的工业应用提供了理论基础。

釜式反应器作为搅拌反应器的一种常见类型，在生物、医药、冶金、环保和化工等领域被广泛使用[1] [2] [3] [4] [5]。为了提高反应器内气液两相流体间的混合效果，一些学者做了一些研究，如韩晨[6]等通过气含率分布图、液相流线图分析了转速对气液两相流动特性的影响。白锦军[7]等通过数值模拟发现流体介质的黏度越大，反应器内混合效果越差。程亮等[8]通过数值模拟发现在高粘度的搅拌介质中，桨叶的循环能力弱，槽内容易出现死区、分层等现象，不利于流体间的快速混合。

由于高粘度液体黏度较大，停留时间长，流体流动性差，所以一般要通过一些手段来加快气液两相流的混合进程。合理地选用和设计搅拌布气装置，对提高装置内混合效果和反应效率具有十分重要的意义。叶立[9] [10]等通过在釜式搅拌反应器底部加装气体分布器，构建泰勒涡釜式搅拌反应器，发现经过气体分布器的诱导作用，能够在反应器内产生泰勒涡流，在临界旋转雷诺数工况下可使反应器气相均布性提升28%，溶氧速率提升5 倍左右，有效地改善了反应器内流动状况，强化了气液间的传质效率，但是叶立等在进行气液两相研究的过程中， 多以低粘度介质水为流体介质， 并未涉及到高粘度介质的研究。

本文在此基础上，用甘油作为高粘度介质流体，以水作为低粘度介质流体作为对比，采用数值模拟和实验相结合的方法，探究不同介质下，反应器内流动及气液相间混合的影响，为高粘度介质在泰勒涡釜式搅拌反应器内的工业应用提供了理论基础。

2. 数值模拟 2.1. 几何模型 如图1 所示，为简化后的泰勒涡釜式搅拌反应器三维模型，通过Solidworks 软件进行三维建模，模型的尺寸参数与实验装置一致，具体参数如表1 所示。本文研究的泰勒涡釜式搅拌反应器装有五直叶搅