无挡板多层斜叶桨固液悬浮的CFD研究
发布时间：2021-06-21 15:51
固相悬浮搅拌操作在化工生产中应用广泛。搅拌转速,桨叶直径,桨间距和桨叶排出流方向对固相的悬浮质量影响较大,因此在考虑功率消耗的情况下,选择合适的操作参数和搅拌釜结构参数至关重要。本文采用数值模拟方法对无挡板三层斜叶桨搅拌釜内的流体流动进行研究,考察了搅拌转速,桨叶直径,桨间距和桨叶排出流方向对自由液面漩涡高度,湍动能分布,功率消耗,固相悬浮不均匀度的影响。采用VOF法对无挡板搅拌釜内的气液两相运动进行研究,表明釜内流场形态更接近于实心体旋转,流体切向速度整体比轴向和径向速度大一个量级。漩涡深度随转速和桨叶直径的增加而增大。通过改变各层桨叶排出流方向能够打破釜内流体的切向运动,抑制漩涡生成,当桨叶排出流方向组合为U-U-D时,漩涡深度值最小。通过计算得到排出流向下的的三层斜叶桨搅拌釜的功率与转速及桨叶直径的关系为:P∝N2.74D3.89,其无挡板单层PBT桨叶的功率准数为0.174。采用欧拉-欧拉双流体模型对搅拌釜内气液固三相进行研究,结果表明固相受到离心力作用,在釜底和近釜壁处聚集,搅拌轴附近区域固相含量较低。通过增大搅拌转速、桨叶直径和桨间距在一定程度上能够减小釜底沉积区域,改善悬...
【文章来源】：华东理工大学上海市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图３．?３计算网格示意图??Ｆｉｇ．?３．３?Ｍｅｓｈ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ?ｄｏｍａｉｎ??在对计算域离散过程中，考虑到桨叶、动区与静区交界面以及搅拌轴附近的湍流脉??
ｌｌｅｒ３?０．１２５６５２?０．１１８４７６?０．１１５１３８?０，１１５２２１?０．１１５１５０??０１２８?■?—■—ｉｍｐｅｌｌｅｒ！??＾?—？—ｉｍｐｅｌｌｅｄ??０．１２６?＿?—ａ—ｉｍｐｅｌｌｅｒ３??０．１２４?－?＼＼??ｒ２２：?＼??震。．”８?：??〇１１６?：?—?一??０．１１２?＿，￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣，—??１００?２００?３００?４００?５００?６００?７００??网格数１０４??图３．４扭矩随网格数变化趋势??Ｆｉｇ．?３．４?ｔｏｒｑｕｅ?ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ?ｕｎｄｅｒ?ｄｉｆｌｆｅｒｅｎｔ?ｍｅｓｈ?ｎｕｍｂｅｒｓ??由表３．１和图３－４可看出，随着网格数逐渐增大，各层桨叶的扭矩值逐渐减小，当??网格数达到４６７万时，扭矩的变化范围可控制在３％以内。因此确定整个计算域网格为??４６７万左右。??３．５．２模型验证??模型验证是检测计算模拟过程中选择的标准々－ｔ？湍流和ＶＯＦ等模型能否真实且准??确地描述物理问题，是否求解了合适的方程组。常用的方法是把数值模拟结果与实验值??作对比。模型选取的合理性对计算结果影响很大，因此对模型的验证工作是很有必要的。??本节将采用与ＢｕｓｃｉｇｌｉｏｔＷ实验中相同的搅拌釜尺寸和转速，对液相自由表面漩涡进行模??拟，并通过比较漩涡形状来验证模型选取的合理性。搅拌釜结构示意图３．５如所示，其??中釜直径Ｔ＝０．１９ｍ，桨叶为标准四斜叶涡轮桨，直径Ｄ＝１／３Ｔ，离底距离Ｃ＝１／３Ｔ，初始??液面高度Ｈ＝Ｔ，搅拌转速为４００ｒｐｍ。搅拌物系的气液两相物性参数参考常温常压下的??水
第２２页?华东理工大学工程硕士学位论文??Ｈ??＾??ｙ?曰??Ｃ??????Ｔ??图３．?５搅拌釜结构示意图（模型验证）??Ｆｉｇ．?３．５?Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?ａｇｉｔａｔｏｒ?（ｍｏｄｅｌ?ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ）??模拟结果与实验对比如图３．６所示：??：：飞?／？??＼ｉ?；／??＿?＼１??０?８５－?＼?ｇ?——实验值??Ｉ?＋模拟值Ｉ??０?８０－１?１???１???１???？???？???－１．０?－０．５?００?０５?１０??ｒ／Ｒ??图３．６实验与模拟的漩涡对比??Ｆｉｇ．?３．６?Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ?ｏｆ?ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ?ａｎｄ?ｓｉｍｕｌａｔｅｄ?ｖｏｒｌｅｘ??通过ＣＦＤ－ＰＯＳＴ后处理软件将三维漩涡面与Ｙ＝０截面的交线离散成大量的的点（坐??标记为（ｒ，Ｚ）），再将横纵坐标的值分别除以搅拌釜半径Ｒ和初始装液高度Ｈ，制作成??如图３．６所示的二维漩涡面曲线图。该图能够较为直观反映漩涡面的轮廓。从图中可以??看出，当－０．５＜ｒ／Ｒ＜０．５时，模拟结果相较于实验结果，漩涡面宽度预测值偏高，而当－??ｌ＜ｒ／Ｒ＜－０．５和０．５＜ｒ／Ｒ＜ｌ时，模拟值对漩涡面宽度预测又稍显不足，两者最大偏差为??］２％。从漩涡高度来看，实验值比模拟值偏小，经计算相对误差为５．８％。总体来说，数??值模拟与实验手段在漩涡高度和宽度两个维度上的最大相对误差在可接受的范围之内，??证明本章所选取的数学模型能够较为准确地预测无挡板搅拌釜内的自由表面漩涡的形??成以及涡深。??
【参考文献】：
期刊论文
[1]污泥活性炭的制备、改性及应用研究进展[J]. 刘亚利,贺月莛,汤慧俐,俞美圆,季钰浩. 应用化工. 2020(06)
[2]Numerical study on solid suspension characteristics of a coaxial mixer in viscous systems[J]. Baoqing Liu,Zilong Xu,Qing Xiao,Bolin Huang. Chinese Journal of Chemical Engineering. 2019(10)
[3]三叶后掠-HEDT组合桨搅拌釜内流场的模拟及实验[J]. 周勇军,袁名岳,徐昊鹏,何华,孙建平. 化工学报. 2019(12)
[4]我国煤基活性炭生产技术现状及发展趋势[J]. 蒋煜,刘德钱,解强. 洁净煤技术. 2018(01)
[5]固液搅拌反应器数值模拟研究进展[J]. 王超,李园,李志鹏,高正明. 北京化工大学学报(自然科学版). 2016(01)
[6]无挡板搅拌槽内的自由表面湍流流场研究[J]. 杨锋苓,周慎杰,张翠勋. 四川大学学报(工程科学版). 2015(02)
[7]穿流式搅拌器固液悬浮的搅拌机理[J]. 姜晖琼. 石油化工设备. 2013(S1)
[8]高浓度恒定固液两相流运动机理探析:Ⅱ.应用[J]. 倪晋仁,王光谦. 水利学报. 2000(05)
[9]高浓度恒定固液两相流运动机理探析:Ⅰ.理论[J]. 倪晋仁,王光谦. 水利学报. 2000(05)
硕士论文
[1]KR法搅拌罐内自由液面及多相流混合特性数值模拟[D]. 何讯超.山东大学 2017
[2]阻力系数对固—液搅拌槽内流动特性影响的数值模拟[D]. 莫君媛.北京化工大学 2012
本文编号：3240955
【文章来源】：华东理工大学上海市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图３．?３计算网格示意图??Ｆｉｇ．?３．３?Ｍｅｓｈ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ?ｄｏｍａｉｎ??在对计算域离散过程中，考虑到桨叶、动区与静区交界面以及搅拌轴附近的湍流脉??
ｌｌｅｒ３?０．１２５６５２?０．１１８４７６?０．１１５１３８?０，１１５２２１?０．１１５１５０??０１２８?■?—■—ｉｍｐｅｌｌｅｒ！??＾?—？—ｉｍｐｅｌｌｅｄ??０．１２６?＿?—ａ—ｉｍｐｅｌｌｅｒ３??０．１２４?－?＼＼??ｒ２２：?＼??震。．”８?：??〇１１６?：?—?一??０．１１２?＿，￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣，—??１００?２００?３００?４００?５００?６００?７００??网格数１０４??图３．４扭矩随网格数变化趋势??Ｆｉｇ．?３．４?ｔｏｒｑｕｅ?ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ?ｕｎｄｅｒ?ｄｉｆｌｆｅｒｅｎｔ?ｍｅｓｈ?ｎｕｍｂｅｒｓ??由表３．１和图３－４可看出，随着网格数逐渐增大，各层桨叶的扭矩值逐渐减小，当??网格数达到４６７万时，扭矩的变化范围可控制在３％以内。因此确定整个计算域网格为??４６７万左右。??３．５．２模型验证??模型验证是检测计算模拟过程中选择的标准々－ｔ？湍流和ＶＯＦ等模型能否真实且准??确地描述物理问题，是否求解了合适的方程组。常用的方法是把数值模拟结果与实验值??作对比。模型选取的合理性对计算结果影响很大，因此对模型的验证工作是很有必要的。??本节将采用与ＢｕｓｃｉｇｌｉｏｔＷ实验中相同的搅拌釜尺寸和转速，对液相自由表面漩涡进行模??拟，并通过比较漩涡形状来验证模型选取的合理性。搅拌釜结构示意图３．５如所示，其??中釜直径Ｔ＝０．１９ｍ，桨叶为标准四斜叶涡轮桨，直径Ｄ＝１／３Ｔ，离底距离Ｃ＝１／３Ｔ，初始??液面高度Ｈ＝Ｔ，搅拌转速为４００ｒｐｍ。搅拌物系的气液两相物性参数参考常温常压下的??水
第２２页?华东理工大学工程硕士学位论文??Ｈ??＾??ｙ?曰??Ｃ??????Ｔ??图３．?５搅拌釜结构示意图（模型验证）??Ｆｉｇ．?３．５?Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?ａｇｉｔａｔｏｒ?（ｍｏｄｅｌ?ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ）??模拟结果与实验对比如图３．６所示：??：：飞?／？??＼ｉ?；／??＿?＼１??０?８５－?＼?ｇ?——实验值??Ｉ?＋模拟值Ｉ??０?８０－１?１???１???１???？???？???－１．０?－０．５?００?０５?１０??ｒ／Ｒ??图３．６实验与模拟的漩涡对比??Ｆｉｇ．?３．６?Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ?ｏｆ?ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ?ａｎｄ?ｓｉｍｕｌａｔｅｄ?ｖｏｒｌｅｘ??通过ＣＦＤ－ＰＯＳＴ后处理软件将三维漩涡面与Ｙ＝０截面的交线离散成大量的的点（坐??标记为（ｒ，Ｚ）），再将横纵坐标的值分别除以搅拌釜半径Ｒ和初始装液高度Ｈ，制作成??如图３．６所示的二维漩涡面曲线图。该图能够较为直观反映漩涡面的轮廓。从图中可以??看出，当－０．５＜ｒ／Ｒ＜０．５时，模拟结果相较于实验结果，漩涡面宽度预测值偏高，而当－??ｌ＜ｒ／Ｒ＜－０．５和０．５＜ｒ／Ｒ＜ｌ时，模拟值对漩涡面宽度预测又稍显不足，两者最大偏差为??］２％。从漩涡高度来看，实验值比模拟值偏小，经计算相对误差为５．８％。总体来说，数??值模拟与实验手段在漩涡高度和宽度两个维度上的最大相对误差在可接受的范围之内，??证明本章所选取的数学模型能够较为准确地预测无挡板搅拌釜内的自由表面漩涡的形??成以及涡深。??
【参考文献】：
期刊论文
[1]污泥活性炭的制备、改性及应用研究进展[J]. 刘亚利,贺月莛,汤慧俐,俞美圆,季钰浩. 应用化工. 2020(06)
[2]Numerical study on solid suspension characteristics of a coaxial mixer in viscous systems[J]. Baoqing Liu,Zilong Xu,Qing Xiao,Bolin Huang. Chinese Journal of Chemical Engineering. 2019(10)
[3]三叶后掠-HEDT组合桨搅拌釜内流场的模拟及实验[J]. 周勇军,袁名岳,徐昊鹏,何华,孙建平. 化工学报. 2019(12)
[4]我国煤基活性炭生产技术现状及发展趋势[J]. 蒋煜,刘德钱,解强. 洁净煤技术. 2018(01)
[5]固液搅拌反应器数值模拟研究进展[J]. 王超,李园,李志鹏,高正明. 北京化工大学学报(自然科学版). 2016(01)
[6]无挡板搅拌槽内的自由表面湍流流场研究[J]. 杨锋苓,周慎杰,张翠勋. 四川大学学报(工程科学版). 2015(02)
[7]穿流式搅拌器固液悬浮的搅拌机理[J]. 姜晖琼. 石油化工设备. 2013(S1)
[8]高浓度恒定固液两相流运动机理探析:Ⅱ.应用[J]. 倪晋仁,王光谦. 水利学报. 2000(05)
[9]高浓度恒定固液两相流运动机理探析:Ⅰ.理论[J]. 倪晋仁,王光谦. 水利学报. 2000(05)
硕士论文
[1]KR法搅拌罐内自由液面及多相流混合特性数值模拟[D]. 何讯超.山东大学 2017
[2]阻力系数对固—液搅拌槽内流动特性影响的数值模拟[D]. 莫君媛.北京化工大学 2012
本文编号：3240955
本文链接：https://www.wllwen.com/guanlilunwen/gongchengguanli/3240955.html
