基于涡轮式搅拌过程的数值模拟及挡板混合性能研究

发布时间：2020-03-30 04:32

【摘要】：搅拌设备是化工、制药等工业过程中最关键的操作单元之一,其操作性能直接影响着工业生产的成本、效率及产物的质量,搅拌过程的流体力学研究及搅拌设备的设计优化一直以来都是科学研究的重点。本文针对六直叶圆盘涡轮式搅拌器,借助Eulerian-Eulerian双流体模型、多重参考系、Standard k-ε模型与RNG k-ε模型两个湍流模型等一系列计算流体力学方法对单一液相体系的搅拌过程及不同分散相体积分数的液-液两相体系的混合过程进行数值模拟计算,通过对比基于两种湍流模型的模拟所预测的速度场结果与实验检测结果的吻合度、分散相分布情况及计算成本,讨论了Standard k-ε模型与RNG k-ε模型在特定搅拌工况下的优劣。在搅拌器标准挡板的基础上,设计了一种V形横向挡板,该挡板与搅拌桨高度平齐并附着于搅拌釜内壁,顶角的角度有30°、60°和90°三种。借助数值方法模拟了分散相体积分数为7%的液-液两相流在无V形横向挡板搅拌器与带有V形横向挡板搅拌器内的搅拌混合过程,通过考察流场的速度分布、湍动能、分散相分布、搅拌桨扭矩及搅拌功率等的数值模拟结果,分析讨论了V形横向挡板对搅拌器混合性能的影响。研究结果表明:虽然RNG k-ε模型是Standard k-ε模型的改进模型,且RNG k-ε模型模拟的计算成本更低,然而基于Standard k-ε模型的模拟所预测的速度场结果与实验结果的吻合度较好、预测的分散相分布更能反映真实的液-液两相混合情况。V形横向挡板可有效降低搅拌桨排出流体对搅拌釜釜壁冲击带来的能量损耗、提高流场的湍动能、降低搅拌桨扭矩、降低搅拌功率、改善混合效果。通过对数值模拟结果的综合分析,当V形横向挡板的顶角为60°时搅拌器的混合性能表现最优。
【图文】：

搅拌桨,结构类型,搅拌器,螺旋面

基于涡轮式搅拌过程的数值模拟及挡板混合性能研究4图1-1 几种常见的搅拌器Figure 1-1 Several common agitators（1）搅拌桨的结构类型按照搅拌桨的结构类型进行分类，可分为平叶、斜叶、弯叶和螺旋面叶搅拌器。其中平叶搅拌器包括平桨式、直叶开式涡轮式、直叶圆盘涡轮式、锚式及框式搅拌器；斜叶搅拌器包括斜叶桨式、斜叶开式涡轮式及斜叶圆盘涡轮式搅拌器；弯叶搅拌器包括弯叶开式涡轮式、弯叶圆盘涡轮式及三叶后掠式搅拌器；螺旋面叶搅拌器包括推进式、螺杆式及螺带式搅拌器。（2）搅拌器的用途按搅拌器的用途进行分类主要根据流体介质的黏性分为低黏度搅拌器和高粘度搅拌器。其中推进式、桨式、开式涡轮式、圆盘涡轮式、布鲁马金式、三叶后掠式及MIG式搅拌器主要用于低黏度流体介质的搅拌操作；锚式、框式、锯齿圆盘式、螺杆式及螺带式搅拌器主要用于高粘度流体介质的搅拌操作。（3）流场流型按流场流型进行分类可以分为轴向流搅拌器、径向流搅拌器和混合流型搅拌器，混合流型搅拌器内流体介质的流型既有轴向流又有径向流。其中推进式、锚

搅拌器,内流场,流型,代表性

成的旋涡会将气体由流体表面卷入流体内部，降低物料的表观密度。挡板的存在有效抑制了流体介质的切向流动，将流体的切向流动转化为轴向流动及径向流动（搅拌器内流场的流型如图1-2所示），消除打旋现象，改善了混合效果。图1-2 搅拌器内流场的流型Figure 1-2 Flow patterns of the flow field in the agitators国内外研究人员都曾做过一些极具代表性研究，揭示了搅拌过程中挡板的存在与否、挡板数量、挡板长度等因素对流体流动特性的影响机制。Hashimoto等人[52]对比研究了在层流条件下带挡板搅拌器与无挡板搅拌器流体混合特性，发现相比无挡板搅拌器，带挡板搅拌器的挡板可以放大由搅拌桨叶片产生的微小流体波纹扰动，同时可以在挡板自身附近产生新的流体波纹扰动，流体介质的流动形态由切向流转变为径向流和轴向流，促使搅拌釜内流体的混合得到进一步增强。Tamburini等人[53]比较了不同雷诺数（Re）下有/无挡板的六叶片涡轮式搅拌器搅拌过程中的流体流动特性。雷诺数从0.2到600，涵盖了从蠕变到早期湍流的范围。
【学位授予单位】：青岛科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ027.2

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