搅拌釜反应器内流体流动的CFD数值模拟

发布时间：2017-03-20 20:04

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【摘要】：搅拌釜在造纸、化工、石化、制药、食品加工和生物化工等领域有着广泛的应用。反应器内单相和多相流体流动都很复杂,而在反应器的放大和设计中,研究者多采用一些无因次全局参数和基于全局值的经验、半经验关联式,对釜内当地流体力学特性的研究还比较欠缺。针对这种情况,本文在计算流力学理论(CFD)的基础上,对搅拌釜反应器内的局部流动和分散特性进行了初步的数值研究。 在搅拌釜单相流模拟中考察了各向异性雷诺应力模型与各向同性湍流模型在速度场和湍动参数上的预报能力,应用SIMPLEC 算法求解压力校正方程,对雷诺应力模型控制方程中的对流项采用二阶中心差分格式,扩散项采用QUICK 格式进行离散。分析并比较了影响流场计算结果的各种因素,认为湍动参数对离散格式较为敏感。分析显示QUICK 格式在收敛速度和精度上表现出色。计算表明雷诺应力模型在速度场和湍动场的预报上精度更高,并得到了雷诺应力模型所预测湍动参数、涡度、旋度和剪切速率等在釜内的分布情况。 应用欧拉两流体模型模拟搅拌釜气液两相流,考虑了虚拟质量力。通过考察不同曳力系数表达式对流场计算的影响,选取了合适的曳力作用模型。采用多重参考坐标法(MRF)描述挡板与搅拌桨之间的作用。对釜内不同气流量下气含率的分布进行了定性及定量描述。计算表明模拟所得气含率分布趋势与实现数据相比具有较好的一致性。 应用拉格朗日粒子跟踪技术(分散相模型)研究搅拌釜中气泡的运动轨迹,对随机轨道模型进行适当改进,给出气泡的尺寸分布函数,考察了不同气流量对气泡浓度分布趋势和液相速度场的影响,计算表明拉格朗日法模拟所得气泡分布趋势与实验现象以及欧拉两流体模拟结果相比具有一定的合理性,模拟所得的临界通气数与经验关联结果较为接近。
【关键词】：搅拌釜 单相流 气液两相流 CFD 数值模拟
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2005
【分类号】：TQ052
【目录】：

• 摘要3-4
• 英文摘要4-9
• 第一章 前言9-12
• 1.1 论文的背景和意义9-10
• 1.2 论文的主要内容10-12
• 第二章 文献综述12-23
• 2.1 搅拌釜单相流实验研究12-14
• 2.2 搅拌釜单相流数值模拟14-20
• 2.2.1 搅拌釜反应器的数值模拟技术14-18
• 2.2.2 湍流的模拟18-20
• 2.3 多相流的实验研究20-21
• 2.4 多相流的数值模拟21-23
• 第三章 应用雷诺应力模型模拟 Rushton 搅拌釜单相流23-49
• 3.1 引言23-24
• 3.2 雷诺应力模型及其封闭方法24-25
• 3.3 雷诺应力模型控制方程的数值解法25-31
• 3.3.1 控制方程的离散25-28
• 3.3.2 SIMPLEC 算法求解校正方程28-30
• 3.3.3 迭代方法与收敛技术30-31
• 3.3.4 边界条件31
• 3.4 Rushton 搅拌釜网格划分及计算步骤31-33
• 3.5 影响流场计算结果的因素分析与比较33-40
• 3.5.1 网格划分密度33-34
• 3.5.2 扩散项离散格式34-35
• 3.5.3 湍流模型因素35-40
• 3.5.3.1 功率准数N P 和排出流量准数N Q35
• 3.5.3.2 排出流区速度35-37
• 3.5.3.3 桨叶区和排出流区湍动动能37-39
• 3.5.3.4 桨叶区和排出流区静压力分布39-40
• 3.6 雷诺应力模型计算结果及讨论40-48
• 3.6.1 宏观速度向量场40-42
• 3.6.2 叶片前后区域和穿过挡板的湍动动能分布42-43
• 3.6.3 涡度分布43
• 3.6.4 旋度分布43-44
• 3.6.5 湍流剪切速率的预测44-48
• 3.7 小结48-49
• 第四章 应用欧拉两流体模型模拟搅拌釜气液两相流49-69
• 4.1 引言49-50
• 4.2 数学模型50-57
• 4.2.1 两相流输运数学模型50-52
• 4.2.2 湍流模型52-53
• 4.2.3 曳力53-55
• 4.2.4 虚拟质量力55-57
• 4.3 两流体模型的数值解法57-58
• 4.4 边界条件58-59
• 4.5 网格划分与计算步骤59
• 4.6 结果与讨论59-68
• 4.6.1 不同曳力系数表达式对流场计算的影响59-60
• 4.6.2 两相速度分量与实验值的比较60-62
• 4.6.3 液相速度向量与实验值的比较62
• 4.6.4 桨叶区液相涡度、耗散速率预测结果与单相流的比较62-65
• 4.6.5 不同气流量下的气含率分布65-68
• 4.7 小结68-69
• 第五章 应用拉格朗日粒子跟踪技术模拟搅拌釜气液两相69-88
• 5.1 引言69-70
• 5.2 两相方程70-71
• 5.2.1 连续相方程70
• 5.2.2 气泡运动方程70-71
• 5.3 粒子尺寸分布71-72
• 5.4 气泡粒子的湍流扩散模型72-75
• 5.4.1 湍流扩散模型概述72-73
• 5.4.2 随机游走(或涡作用)模型73-75
• 5.5 相间耦合计算-质量与动量交换方程75
• 5.6 平均气泡速度和浓度计算75-76
• 5.7 Rushton 和 D-PBT 搅拌釜网格划分、边界条件与计算步骤76-77
• 5.8 结果与讨论77-86
• 5.8.1 气泡粒子运动轨道的随机性77-78
• 5.8.2 不同时刻的粒子轨道示踪78-80
• 5.8.3 气泡浓度分布趋势和液相宏观速度向量场80-85
• 5.8.4 拉格朗日示踪法与欧拉两流体法预测的气相分布趋势比较85-86
• 5.8.5 模拟结果与搅拌釜气液操作经验关联图的对照86
• 5.9 小结86-88
• 第六章 结论与展望88-91
• 6.1 结论88-89
• 6.2 展望89-91
• 参考文献91-101
• 符号说明101-102
• 攻读硕士学位期间已公开发表的论文102-103
• 致谢103-104
• 附录1104-107
• 附录2107-109
• 详细摘要109-127

【引证文献】

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1 沈政昌;卢世杰;史帅星;陈东;杨丽君;;基于CFD和PIV方法的单相KYF浮选机流场分析研究—KYF浮选机流场测试与仿真研究(二)[J];有色金属(选矿部分);2013年02期

2 尹明水;杨久流;任爱军;;磷酸酯淀粉对赤铁矿抑制性能研究[J];有色金属(选矿部分);2013年02期

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1 侯洪国;大型侧搅拌发酵罐内气液两相流的计算流体力学模拟[D];天津大学;2010年

2 王秋实;高粘硅脂的乳化及搅拌器的CFD优化设计[D];江南大学;2012年

3 高勇;双层桨自吸式搅拌槽的数值模拟及实验研究[D];西北大学;2010年

4 门红伟;基于CFD模拟技术的化学反应失控危险性研究[D];东北大学;2008年

5 莫君媛;阻力系数对固—液搅拌槽内流动特性影响的数值模拟[D];北京化工大学;2012年

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本文编号：258354