基于实验数据的湍流扩散POD模态分析

王芳，贾胜坤，张会书，袁希钢，余国琮

（化学工程联合国家重点实验室，天津大学化工学院，天津 300072）

引言

物质在湍流条件下的扩散是广泛存在于化工过程中的基本现象[1-2]，了解湍流中的传质扩散规律，对于化工基础和应用研究具有重要意义。然而由于其复杂性，湍流条件下物质扩散或浓度分布的严格模拟十分困难，已成为化学工程领域基础问题之一[1]。

由于实验测量难度的限制，以往的实验研究大多集中于边界层中物质扩散现象，而对于湍流中传质扩散过程实验研究则不多，实验手段也较少，其中较为有效的包括采用粒子成像测速仪（PIV）针对流场和激光诱导荧光（LIF）针对浓度场测量研究[3-5]，有的结合了激光多普勒测速（LDV）技术[6]。流型包括带轴向叶轮的搅拌槽[5]以及带有格栅的水平流体通道[6]。

在湍流中传质扩散过程数值模拟方面，近年来的研究主要集中在基于严格Navier-Stokes 方程的湍流扩散模型研究。例如Sun 等[7]通过湍流传质模型计算了湍流传质扩散系数，并将其用于板式精馏塔的数值模拟中；Liu 等[8]通过数值模拟，预测了散堆填料精馏塔中的液相浓度分布，预测结果与实验测量结果相吻合；Dong 等[9]利用3D 体积流体模型（VOF）建立了对流扩散模型，模拟了二氧化碳在氢氧化钠溶液中的反应吸收过程，计算出了液体传质系数；Zhang等[10]将湍流传质的理论模型应用到鼓泡塔反应器中，同时精确地预测鼓泡塔中物质的浓度和速度分布。虽然上述研究建立了湍流条件下传质的严格模拟方法，但是，因为严格模拟依赖于计算微元网格上的离散，导致必须以巨大的计算量来换取计算精度，因此，计算量与计算精度之间权衡难以实现，严重制约着这一类方法的应用和发展。……