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气升式环流反应器中的多相流动基准模型分析

作者 Thomas Forrister

2018年 5月 23日

多相流涉及不同相的流体同时流动，如气体和液体，或悬浮在流体中的固体颗粒。因此，模拟多相流可能需要多种方法。一种方法是使用气泡流模型来分析气泡引起湍流的影响。本文讨论了充水的气升式环流反应器中液体和气体流动的基准模型，并用实验验证了模拟结果。

可靠性分析改进反应器和多相流技术

向气升式环流反应器中充满水，并从底部注入气泡。浮力导致气泡上升，从而产生液体循环。通过在这种类型的气泡流模型中对诱导湍流进行建模，可以预测含分散气泡的液体的流动，这在例如生物化学应用中是很重要的。气升式环流反应器（如气升式生物反应器）可用于培养微生物，因为它们可以为细胞创造相对恒定的环境，并且提供温和的搅拌形式，因为细胞对机械应力敏感。

采用气升式气泡技术的生物反应器有可能会推动细胞和组织培养技术的进步，例如通风培养法和一次性培养袋，因为它简化了培养和发酵的过程。此外，科学家们正在开发新的气泡射流分选技术进行癌症治疗。在这种方法中，T细胞被放在生物反应器中与数亿细胞一起培养，并重新引入患者体内，以识别和攻击癌细胞。通过使用微气泡在反应器中产生气流，使分选技术对细胞足够温和，同时保持每单个微流体通道中每秒 5000 个细胞的速度。

为了研究气泡诱导湍流在气升式环流反应器设计中的影响，推动这类反应器的应用，可以使用仿真来研究。本文讨论的基准模型基于发表在专业评审的科学期刊上的实验数据。

气升式环流反应器中的流动模拟

在本文讨论的气升式环流反应器基准模型中，反应器中流动的液相是水，气相是空气。模型参数来自实验工作，并为入口、出口和对称性设置了边界条件:

入口边界条件:反应器底部的两个入口(反应器设计的玻璃部件)，气泡以 0.015m/s 的表观速度通过这两个入口注入
出口边界条件:自由表面近似为液体的滑移条件；气体能够通过出口离开反应器
对称边界条件:在 xy 平面，z= 0.04m 处调用镜像对称

其他边界对液体采用壁函数边界，对气泡采用通量为 0 的边界。除了入口处需要非常精细地网格划分以外，反应器内部的网格应该相对精细，因为气泡倾向于产生复杂的流动结构。

气升式环流反应器的模型几何

流动建模

接下来，在 COMSOL Multiphysics 软件的附加产品 CFD 模块中的气泡流 接口设置多相流。气泡流 接口会追踪平均气相浓度，而不是追踪单个气泡。该接口求解液体速度(连续相的速度)、压力和气相的体积分数，并为气泡(分散相)相对于液相的速度提供几种滑移模型。对于这个基准模型，最好使用压力-阻力平衡滑移模型，其中对大气泡的阻力系数进行了调整。

当在气泡流中模拟湍流时，我们需要通过在湍流方程中添加源项来考虑由于气泡和液体之间的相对运动而产生的额外湍流和耗散。例如，以单相湍流模型的方程 k-ε 为例，我们可以在 k 方程式上添加一个源项，用 S_k 表示。其他区域，如湍流输送，可以使用 k-ε 模型。

气泡流 接口的诸多优点之一是它的灵活性。我们可以打开和关闭 k-ε 模型，并控制是否包括或排除气泡诱导湍流项 S_k。物理模型的接口也有默认的低气体浓度选项，因为如反应器实验所示，气体浓度可能很高。