错位桨搅拌假塑性流体流场洞穴模型及演化规律研究

发布时间：2020-10-23 05:45

　　 带有明显屈服应力的假塑性流体是非牛顿流体的一种,除了具有较高的粘度之外,还表现出复杂的流变性,比如剪切稀化行为和带有初始屈服应力等。这类流体在进行混合操作时,在搅拌桨附近会形成洞穴,洞穴内部流体充分流动,混合均匀,但在桨叶之外的主流区流体却处于停滞或缓慢流动状态,这将极大影响混合效率并可能伴随副产品的产生。为此,本文以错位六弯叶涡轮桨为研究对象,采用数值模拟与实验验证相结合的方法,针对其在假塑性流体中的洞穴效应和演化规律进行研究,为高效搅拌装置的研究和应用提供理论参考。本文首先利用流变仪对不同浓度的黄原胶水溶液的流变参数进行测试,结果表明,其切应力与剪切速率的关系符合Herschel-Bulkley模型,进一步通过非线性拟合的方法获得了模型中各项参数的值,为后续粘度模型的建立提供了数据支撑。为检验所建立层流模型的正确性,从功耗与流场结构两个方面对模拟结果和实验数据进行比较,发现CFD模拟结果与实验数据能很好地吻合,说明通过本文建立的层流模型获得的结果是可靠的。通过研究黄原胶水溶液表观粘度在搅拌槽径向的变化规律,提出了确定洞穴边界的新方法——屈服粘度法,即洞穴边界处流体的粘度值应为流体屈服粘度的25%。进一步研究表明,屈服粘度法不受转速和桨型的影响,预测的洞穴边界准确度更高,更能体现边界的发展趋势,并且在高转速下也不会失真,与速度法相比具有明显优越性。基于轴向力洞穴模型,建立了心形洞穴模型来预测流场中的洞穴,并将各模型的预测结果与CFD模拟获得的洞穴形状进行了比较。对比发现,在较低雷诺数时,心形模型确定的边界曲线与CFD结果最接近,圆柱形模型忽略了洞穴顶部过渡段和底部的特殊变化,球形模型预测的洞穴过大,而环形模型预测结果明显偏小;在雷诺数逐渐增大时,心形模型始终保持着对洞穴边界预测的准确性,边界曲线能与CFD模拟曲线很好的吻合,圆柱形模型对洞穴的预测逐渐偏小,球形模型对洞穴的预测始终偏大且过早的估计了边界的触壁时间,而环形模型对洞穴的预测过小,此时更适于描述洞穴的核心区。
【学位单位】：青岛科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O373
【部分图文】：

性紧密相关，实验表明桨叶中决定搅拌过程能耗和流叶分为轴向流搅拌器、径场特性，通过叶轮的旋转将液体与轴垂直的方向）排出，流搅拌器叶轮端部的射流区以一定的小角度向上偏移桨叶端部逐渐增大，并在动以径向为主，径向速度速度较小[18]。

图 1-2 六弯叶开启涡轮式搅拌器 图 1-3 错位六弯叶开启涡轮式搅拌桨Fig.1-2 Impeller of six-bent-bladed turbine Fig.1-3 Impeller of perturbed six-bent-bladed turbi6BT 桨与 6PBT 桨的流场结构如图 1-4 所示，与 6BT 搅拌器相比，6PBT 拌器的剪切性能得到了较大的提高，6PBT 桨将原来处于同一平面的六个桨叶替上下错位，可对流体产生持续扰动，使流体处于非周期性运动状态，诱发整的混沌流，消除混合隔离区。由图 1-4 可以看出，6PBT 倾斜的排出方式，打破6BT 桨的对称双涡环流场结构，左右涡心形状、位置均不相同，更利于假塑性体的充分混合[20]。

图 1-2 六弯叶开启涡轮式搅拌器 图 1-3 错位六弯叶开启涡轮式搅拌桨Fig.1-2 Impeller of six-bent-bladed turbine Fig.1-3 Impeller of perturbed six-bent-bladed turbi6BT 桨与 6PBT 桨的流场结构如图 1-4 所示，与 6BT 搅拌器相比，6PBT 拌器的剪切性能得到了较大的提高，6PBT 桨将原来处于同一平面的六个桨叶替上下错位，可对流体产生持续扰动，使流体处于非周期性运动状态，诱发整的混沌流，消除混合隔离区。由图 1-4 可以看出，6PBT 倾斜的排出方式，打破6BT 桨的对称双涡环流场结构，左右涡心形状、位置均不相同，更利于假塑性体的充分混合[20]。
【参考文献】

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3 栾德玉;周慎杰;陈颂英;;错位六弯叶桨搅拌假塑性流体的洞穴变化[J];机械工程学报;2012年16期

4 栾德玉;周慎杰;陈颂英;;搅拌槽内假塑性流体洞穴研究进展[J];化工进展;2012年03期

5 栾德玉;周慎杰;陈颂英;楚树坡;;错位六弯叶桨在假塑性流体中的混沌搅拌特性[J];化学工程;2011年09期

6 赵静;程先明;高正明;;组合桨液相搅拌槽内流动特性的实验研究及数值模拟[J];北京化工大学学报(自然科学版);2011年03期

7 栾德玉;周慎杰;陈颂英;楚树坡;;六弯叶搅拌槽内假塑性流体流场及洞穴变化的数值模拟[J];过程工程学报;2010年06期

8 盛森芝;庄永基;刘宗彦;;一种新型热线热膜流速计[J];实验流体力学;2009年01期

9 梁瑛娜;高殿荣;;双层直斜叶及其组合桨搅拌槽三维流场数值模拟[J];机械工程学报;2008年11期

10 马青山,聂毅强,包雨云,王英琛,施力田;搅拌槽内三维流场的数值模拟[J];化工学报;2003年05期

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2 侯拴弟;搅拌槽内三维流场的实验研究及数值模拟[D];北京化工大学;1997年

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3 胡凡金;多层桨在假塑性流体中的混合特性研究[D];山东大学;2012年

4 赵宇;PIV测试中示踪粒子性能的研究[D];大连理工大学;2004年

本文编号：2852629