搅拌槽内上浮颗粒悬浮特性的研究

发布时间：2020-07-10 22:01

【摘要】：固-液悬浮操作广泛的应用于日常生活和工业生产中,搅拌槽内上浮颗粒的悬浮在食品加工技术、聚合、发酵和废水处理等多个单元操作过程中应用较为普遍。在以往的研究中关于上浮颗粒临界下拉机理的研究并不多见,而且对于上浮颗粒体系的固-液混合研究主要集中于小粒径颗粒的两相混合,对于大粒径颗粒以及固-液流场中颗粒的相关解析研究还未获得理想效果。为了进一步提高针对于上浮颗粒体系颗粒临界下拉运动行为和机理的相关认识,本文利用PIV(Particle Image Velocimetry)粒子图像测试技术和CFD(Computational Fluid Dynamics)模拟对搅拌槽内低雷诺数下的大粒径颗粒的流体力学特性和颗粒运动行为进行研究。本文将一定配比的蔗糖-氯化钠溶液和9.6 mm有机玻璃球型颗粒进行折射率匹配,配合二维PIV测试技术,在上浮颗粒临界下拉条件和完全下拉条件下研究了颗粒体积分数(?)=0 vol.%到(?)=8 vol.%的搅拌槽内流体流动特性,对于流体速度和颗粒特性作了相关深入研究。采用PIV测试技术与CFD数值模拟相结合的方法,得到层流条件下颗粒的下拉机理:流体在液面附近的切向速度以及颗粒与颗粒间的碰撞是导致上浮颗粒临界下拉运动的主要因素,进而为复杂固-液搅拌体系内的上浮颗粒临界运动机理提供有效数据和模型支撑。本文首先对搅拌槽内上浮颗粒体系在临界下拉条件下的流体流动和颗粒悬浮特性进行了研究,从而为颗粒完全下拉条件的研究奠定基础。结合采用PIV技术与FLUENT软件中离散相模型DPM(Discrete Phase Model)和离散单元方法 DEM(Discrete Element Method Collision Model)对搅拌槽内速度场和颗粒运动特性的分析,结果表明:(1)桨叶下压式操作更容易实现上浮颗粒的临界下拉运动,桨叶离底距离越大越容易实现颗粒的临界下拉运动,上浮颗粒临界下拉转速均随着颗粒体积分数的增大而逐渐增大。(2)在相同的临界下拉转速时,多相流场与单相流场相比较,多相流场在特定位置处的径向速度衰减约为20%,轴向速度衰减约为13%。(3)不同操作条件下流体液面附近区域的切向速度要远远大于径向和轴向速度。对上浮颗粒在完全下拉条件的流场特性研究过程中同样采用PIV实验和CFD模拟相结合的方法,结果表明:(1)在颗粒体积分数逐渐增加的过程中,颗粒的存在影响了槽内流场,随着颗粒体积分数的逐渐增加,CFD模拟预测的结果与PIV实验值的吻合程度越来越高。(2)随着搅拌槽内桨叶相位拍摄角度的变化,槽内流场将随之发生改变。基于本文对于上浮颗粒群的临界下拉和完全下拉条件时在层流条件的研究,对单个上浮颗粒的临界下拉运动行为进行了实验和格子-玻尔兹曼LBM(Lattice Boltzmann Method)直接数值模拟相结合的初步探索性分析,进而为单颗粒临界下拉运动的理论研究提供了可靠方法。在对上浮颗粒体系搅拌槽内单颗粒在层流中的临界下拉运动行为的探索研究中,采用高速摄像技术对单颗粒临界下拉运动轨迹进行捕捉,同时采用LBM模拟方法对颗粒运动行为进行直接模拟预测,通过实验和模拟的初步探索结果表明:(1)桨叶操作方式为下压式,颗粒所需的下拉运动时间较短,颗粒粒径越大,颗粒到达桨叶区的时间越短。(2)通过LBM模拟的单颗粒临界下拉条件的流场分布、颗粒临界下拉运动过程以及颗粒下拉运动轨迹与实验结果吻合较好。
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O35;X703
【图文】：

示意图,示意图,两相,多层桨

然后使用不同的图像分析技术和相关算法，通过两次或多次曝光记录下粒子的逡逑位置信息和曝光时间间隔，计算出粒子在此位置处的运动速度，从而得到待测流体的逡逑速度。测试技术原理如图１－２所示。逡逑ｙ逦Ｊｅ｜＃ｔ逡逑Ｄｏｕｂｌｅ逦“逦ｓｈ—逦备，ＣＣＤ逡逑ｐｕｌｓｅｄ逦厶、逦？、够逦％邋＾逡逑ｉａ邋}0逦？？＇ｆｆ逡逑Ｉ邋Ｃｙｌｍｄｒｉｃａｌ邋ｔｅｎｓ邋Ｙｌｂ－邋－逦＾４邋ｆ逡逑Ｄａｔｕ逦Ｄａｔａ逡逑．．．．ｌ逦．邋ｓｒ邋ｉ逡逑ｖ逡逑＇，ＡＸ逦食：逡逑图１－２邋Ｐ１Ｖ测试技术原理示意图逡逑Ｆｉｇ．１－２邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ＰＩＶ邋ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ邋ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ逡逑１．３．１．２固－液两相ＰＩＶ测速技术的研究应用逡逑Ｚａｃｈｏｓ邋ｅｔ邋ａｌ．［４９］在固体颗粒体积分数为１邋ｖｏｌ．％的在固－液两相多层桨搅拌槽内，逡逑对分散相的速度场和浓度场进行了研宄。逡逑Ｋｉｇｅｒ和Ｐａｎ［５（）］使用了一种过滤技术在颗粒体积分数为０．５邋ｖｏｌ．％的固－液悬浮体逡逑系内将固相和液相分离并分别进行研究。逡逑Ｃａｔｅ邋ｅｔ邋ａｌ．［８］应用邋ＰＩＶ邋技术和格子玻尔兹曼（Ｌａｔｔｉｃｅ－Ｂｏｌｚｍａｎｎ邋Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ邋ＬＢＭ）逡逑模拟相结合的方法在固－液两相体系内，对层流工况下单颗粒周围流场和流体运动速度逡逑对颗粒产生的影响做了详尽分析。逡逑Ｖｉｒｄｕｎｇ和Ｒａｓｍｕｓｏｎ邋［３１＇５２］分别应用ＬＤＶ和ＰＩＶ两种测试技术，在固－液两相搅拌逦，逡逑８逡逑

光学质量,光学性质,不透明,颗粒

在固－液两相颗粒悬浮体系内通过对液相流体和固体颗粒分别进行折射率的匹配逡逑来实现光学可视化研究。原则上，匹配度越精确，体系内透明性和透光性越好，可视逡逑化越强。首先，颗粒的选取是非常重要的，需要具备良好的光学性能如图１－３邋（ａ）所逡逑示，折射率不随外界物理条件的改变而发生变化，颗粒内尽量不含有其他杂质，如果逡逑颗粒本身光学质量存在问题如图卜３邋（ｂ）所示，即使相对应的液相折射率与之完全匹逡逑配也不能保证悬浮体系很好的透明度。逡逑１：b\0１３逡逑图１－３颗粒的光学质量：（ａ）颗粒光学性质较好（ｂ）不透明颗粒内有气泡的存在逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｏｐｔｉｃａｌ邋ｑｕａｌｉｔｙ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｂｅａｄｓ：邋（ａ）邋ｐａｒｔｉｃｌｅｓ邋ｗｉｔｈ邋ｇｏｏｄ邋ｏｐｔｉｃａｌ邋ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ邋（ｂ）邋ｓｌｉｇｈｔｌｙ邋ｏｐａｑｕｅ逡逑ｐａｒｔｉｃｌｅｓ邋ｗｉｔｈ邋ｇａｓ邋ｂｕｂｂｌｅ邋ｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓ逡逑对于流体的选取上，经常会加入混合不同的物质成分来达到所需要的折射率、粘逡逑度和密度。流体的选择需要符合以下要求：逡逑（１）

实验装置图,桨叶,下压式,搅拌槽

叶桨（Ｄ＝１５８ｍｍ），在实验Ｉ中桨叶离底距离Ｃ分别为Ｔ／３、Ｔ／２和２Ｔ／３，桨叶操作逡逑分为上提式和下压式两种方式；实验ＩＩ中桨叶离底距离分别为Ｔ／３和Ｔ／２，桨叶操作逡逑方式为下压式操作。搅拌槽的具体几何尺寸和ＰＩＶ测量平面如图２－２所示，左图中蓝逡逑色方框内为ＰＩＶ实验测量区域（０＜ｚ／Ｈ＜０．５，邋０＜ｘ／Ｔ＜０．５），搅拌槽底部为坐标原点，逡逑图中分别定义了邋ｘ、ｙ、ｚ三个方向坐标系，右图中角度０为当前桨叶和ＰＩＶ测量平面逡逑间的夹角（桨叶旋转方向为顺时针方向）。逡逑２０逡逑

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