穿流刚柔桨搅拌反应器内流体混沌混合特性研究

发布时间：2022-10-11 12:55

　　搅拌反应器广泛应用于化工、冶金、医药、食品等过程工业,是相关生产工艺中的核心设备。搅拌桨作为搅拌反应器的关键部件,向搅拌槽内流体提供所需的能量,使流体形成适宜的流场,影响着“三传一反”的效率和程度。传统刚性搅拌桨主要是通过对流体的剪切作用传递能量,约70%的搅拌桨输入能量消耗在桨叶外缘和桨叶后的尾涡处,流体的混合效率较低。因而,搅拌桨结构设计与优化已成为流体混合强化研究的热点。本文基于化工过程强化和流体混沌混合强化理论,在刚柔桨的研究基础上提出穿流刚柔桨强化流体混沌混合的新思路,以期通过穿流刚柔桨自身旋转产生的高速射流,强化流场的局部涡流扩散,促使流场结构失稳,诱导流体进入混沌混合状态,强化流体混沌混合过程。本文对穿流刚柔桨搅拌反应器内单相、固液两相、气液两相体系中的混沌特性和混合性能进行了实验研究。同时,通过计算流体力学对单相体系的流场特性、固液两相体系的固液悬浮特性以及气液两相体系的气液分散行为进行了数值模拟研究。此外,开展了刚柔组合桨强化锰矿浸出的应用研究,对锰矿浸出槽中固液两相悬浮特性和桨叶流固耦合行为进行了数值模拟,以及对锰矿浸出时间、浸出率和搅拌电耗进行了中试试验。主要结论... 

【文章页数】：192 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
中文摘要
英文摘要
1 绪论
    1.1 搅拌反应器概述
    1.2 搅拌桨分类及特性
        1.2.1 常用搅拌桨
        1.2.2 刚柔桨
    1.3 国内外研究现状
        1.3.1 流体混沌混合强化研究
        1.3.2 计算流体力学研究
    1.4 研究目的及研究内容
        1.4.1 研究目的及意义
        1.4.2 研究内容
2 搅拌反应器内单相流体混沌混合实验研究
    2.1 引言
    2.2 实验装置
        2.2.1 搅拌装置
        2.2.2 实验桨型
        2.2.3 实验所用辅助设备及药品
    2.3 实验方法
        2.3.1 混合时间
        2.3.2 混合时间数(NTm)
        2.3.3 羧甲基纤维素钠溶液的流变特性
        2.3.4 搅拌功耗
        2.3.5 最大Lyapunov指数(LLE)
    2.4 实验结果与讨论
        2.4.1 最大Lyapunov指数(LLE)
        2.4.2 混沌吸引子
        2.4.3 分形维数
        2.4.4 混合时间数(NTm)
        2.4.5 混合效率
        2.4.6 可视化实验
    2.5 本章小结
3 搅拌反应器内单相流体混合数值模拟研究
    3.1 引言
    3.2 计算模型
        3.2.1 几何模型及计算体系
        3.2.2 网格划分
    3.3 数值模拟方法
        3.3.1 基本控制方程
        3.3.2 模拟方法
    3.4 模拟结果与讨论
        3.4.1 最大Lyapunov指数验证
        3.4.2 轴向速度分布
        3.4.3 速度场分布
        3.4.4 桨叶尾涡结构
        3.4.5 转速与功耗之间的关系
    3.5 本章小结
4 搅拌反应器内固液两相悬浮特性实验研究
    4.1 引言
    4.2 实验装置
        4.2.1 搅拌装置及实验物系
        4.2.2 实验桨型
    4.3 实验方法
        4.3.1 固含率测量方法
        4.3.2 搅拌功耗
        4.3.3 最大Lyapunov指数(LLE)
    4.4 实验结果与讨论
        4.4.1 最大Lyapunov指数(LLE)
        4.4.2 混沌吸引子
        4.4.3 分形维数
        4.4.4 轴向固含率分布
        4.4.5 固液悬浮度
        4.4.6 可视化实验
    4.5 本章小结
5 搅拌反应器内固液两相悬浮特性数值模拟研究
    5.1 引言
    5.2 计算模型
        5.2.1 几何模型及计算体系
        5.2.2 网格划分
    5.3 数值模拟方法
        5.3.1 基本控制方程
        5.3.2 湍流模型
        5.3.3 曳力模型
        5.3.4 模拟方法
    5.4 模拟结果与讨论
        5.4.1 最大Lyapunov指数验证
        5.4.2 轴向局部固含率验证
        5.4.3 流场结构
        5.4.4 轴向局部固含率分布
        5.4.5 速度场分布
        5.4.6 湍动能场分布
        5.4.7 湍动能耗散率分布
        5.4.8 固体颗粒悬浮状态
        5.4.9 固含率分布
    5.5 本章小结
6 搅拌反应器内气液两相分散特性实验研究
    6.1 引言
    6.2 实验装置
        6.2.1 搅拌装置及实验物系
        6.2.2 实验桨型
    6.3 实验方法
        6.3.1 局部气含率测量方法
        6.3.2 气泡尺寸测量方法
        6.3.3 搅拌功耗测量方法
        6.3.4 最大Lyapunov指数
    6.4 实验结果与讨论
        6.4.1 最大Lyapunov指数(LLE)
        6.4.2 混沌吸引子
        6.4.3 分形维数
        6.4.4 搅拌功耗特性
        6.4.5 局部气含率分布
        6.4.6 气泡尺寸分布
    6.5 本章小结
7 搅拌反应器内气液两相分散特性数值模拟研究
    7.1 引言
    7.2 计算模型
        7.2.1 几何模型及计算体系
        7.2.2 网格划分
    7.3 数值模拟方法
        7.3.1 基本控制方程
        7.3.2 湍流模型
        7.3.3 曳力模型
        7.3.4 PBM模型
        7.3.5 模拟方法
    7.4 模拟结果与讨论
        7.4.1 最大Lyapunov指数验证
        7.4.2 局部气含率与气泡尺寸验证
        7.4.3 流场结构
        7.4.4 局部气含率分布
        7.4.5 气泡尺寸分布
    7.5 本章小结
8 刚柔组合桨强化锰矿浸出中试试验及固液悬浮模拟研究
    8.1 引言
    8.2 锰矿浸出装置
        8.2.1 搅拌装置及物系参数
        8.2.2 搅拌桨结构
    8.3 数值模拟
        8.3.1 几何模型及网格划分
        8.3.2 数值模拟方法
    8.4 固液悬浮特性分析
        8.4.1 流场结构
        8.4.2 轴向速度分布
        8.4.3 湍动能分布
        8.4.4 固含率分布
        8.4.5 固体颗粒悬浮状况
    8.5 流固耦合行为分析
        8.5.1 桨叶总变形量分析
        8.5.2 桨叶等效应力分析
    8.6 锰矿浸出中试试验
        8.6.1 试验方法
        8.6.2 刚性桨锰矿浸出试验
        8.6.3 刚柔组合桨锰矿浸出试验
        8.6.4 锰矿浸出时间、浸出率及电耗分析
        8.6.5 经济效益分析
    8.7 本章小结
9 总结
    9.1 结论
    9.2 创新点
    9.3 展望
致谢
参考文献
附录
    A.作者在攻读博士学位期间发表的论文目录
    B.作者在攻读博士学位期间申请的专利目录
    C.作者在攻读博士学位期间参加的科研目录



本文编号：3690610