双叶轮搅拌槽关于搅拌效果的研究

双叶轮搅拌槽关于搅拌效果的研究作者：R. Zadghaffaria, J.S. Moghaddasa,J.Revstedtb文章信息：文章历史： 发表于 2009 年 1 月 29 日2009 年 2 月 7 日起可在网上下载 关键字：搅拌槽 PIV CFD 搅拌时间 能量 LES摘要：计算和实验方法已被用于研究带有两个六叶涡轮桨全包围搅拌槽的流场、功率和搅拌时间。搅拌槽中的流量包含在旋转的叶轮叶片和固定挡板之间的流量的相互作用。在计算流体力学中，滑移网格方法已经被用于流场的开发。发射脱离系统已经用于模拟湍流。对于两个系列的实验中进行的模拟结果的验证:1）速度测量的液相粒子图像测速（PIV） ；2）在液相中使用的平面激光诱导荧光（PLIF）技术确定示踪剂的浓度测量。在每个系列中采用三个不同的叶轮转速：225，300 和 400 转。搅拌功率的计算结果也根据输入的 PIV 结果。随着提高叶轮速率，搅拌时间相当大的减少，搅拌输入功率也被增大。满意的比较表明这 CFD 方法作为计算工具，用于设计的潜在用途搅拌反应器。 2009 爱思唯尔有限公司保留所有权利1、 简介：搅拌槽内被广泛用于化学，食品和加工工业中用于混合两种可混溶的流体。通常情况下，在位于中央的叶轮搅拌槽内，与对每个刀片后面的旋涡，一个在上面，下面的磁盘之一，产生的旋转运动。附近的涡流中的流体高度剪切，导致在局部减少的一个属性，例如示踪剂浓度为。旋转运动的流体使一个复杂的循环水箱中的湍流，固定挡板的流交互，提高了搅拌。通过旋转的叶轮排出的流动，形成一个朝向罐壁射流。沿着壁垂直流动后，流体将朝向罐的轴线有一个再循环流动模式。当混合罐内使用一个以上的叶轮时，流场的复杂性大大增加。实验调查对于更好理解复杂的流体力学搅拌设备做出来了显著的贡献。关于双桨搅拌槽产生流场的实验调查已经被Rutherford, Lee, Mahmoudi 和 Yianneskis 用激光多普勒测速仪证实过，且主要的精力放在后面的涡轮桨尾涡结构上。从容器底部之间的间距叶轮间隙的各个值也进行了研究。Bonvill-ani, Ferrari, Ducrs 和 Orejas 通过实验断定了配有双涡轮浆搅拌器的搅拌槽的混合时间。在他们的实验中，利用 PH 反应技术来确定搅拌时间没有取得显著的效果。Chunmei,Jian, Xinhong 和 Zhengming 用二维 PIV 方法用于测量速度，同时也研究了流场的模式和叶轮间隙的影响。在两个桨叶轮，具有不同形状和尺寸的各种各样的叶轮，并具有不同的叶轮间隙，这样，在实践中使用的不同的应用程序所产生的流动的实验调查。因此，计算预测绕流的一个叶轮的任何形状，并且其与另一个叶轮的交互工具，它可以安装在同一轴上的混合技术将有巨大的应用程序。对于双叶轮壳体,文献中比较少有关于混合的研究。Vrabel et al 利用房室建模方法建立了充气和未充气搅拌槽的流场模型。这种模型经过测量的脉冲响应曲线和用荧光或热水示踪得到了验证。Jaworski, Bujalski, Otomo 和 Nienow用 CFD 软件 Fluent 记录了双涡轮桨的仿真数据。软件预计的混合时间比实验得出数据多 2 到 3 倍。Deshpande 和 Ranade采用改进的计算快照的方法预计了双叶轮产生的流场之间的相互作用。在每一种情况下，CFD 的复杂性意味着，最终的结果依赖于建模选项和假设的数量。在大多数的 CFD 模拟中的折流板，涡轮圆盘，和叶轮叶片被视为零厚度的壁。这种假设是不现实的，因为研究表明，叶轮叶片的厚度影响混合属性(Bujalski, Nienow, Chatwin,Rutherford, Mahmoudi, Lee, & Yianneskis, 1996；Yapici, Karasozen, Schfer, & Uludag, 2008)。他们的研究表明，随着叶片厚度的增加，功率会减小，然而搅拌时间会增加。在这项工作中，搅拌槽反应器的实际尺寸得到了模拟，挡板和叶轮刀片的厚度是不可忽略的。流场进行了数值模拟使用LES 用的公司的亚格子模型，在两个标准的六叶涡轮桨搅拌槽中模拟流数和搅拌时间。用滑移网格（SM）的方法弄清了叶轮的旋转。本文提出了一种在不同的叶轮转速之间的轴向和径向的速度分量的径向分布的实验和模拟化的结果比较。被提拔的仿真结果验证了一系列的实验。模拟速度和搅拌下输入功率与 PIV 结果和评价 PLIF 技术的混合时间数据进行比较。结果表明这种方法的实用性，为今后的工作制定一个通用的混频器的设计工具。2、 实验：这项工作中所用的标准的几何形状有两个桨叶轮的搅拌罐的设计和尺寸示于图 1。搅拌罐由一个内径 T=0.30m 的平底玻璃罐组成。四块挡板对称放置在罐的周围，其宽度为罐直径的十分之一（l=0.1T） 。桨搅拌器有两个叶轮，这是标准设计的直径（D）的三分之一的罐直径（D / T= 1/3） ，位于与从罐底部的大约一半的间隙等于罐直径（C1 =0.55 T） 。上叶片和下叶片之间的距离 C=0.7T。涡轮机由电动机驱动，搅拌速度有一个校准的数字示波器来测量。为了减少在罐的圆筒形表面的光折射率的影响，它被放置在一个正方形的玻璃容器中。搅拌槽内填充用自来水作为主要的连续相的流体，它的表面高于上部叶轮 C2= 0.55 T。方形容器也充满了水，以减少表面光线的折射。本研究中所用的搅拌槽的几何形状上的详细信息，请参见 Guillard，Trgrdh 和 Fuchs（1999）和Moghaddas（2004）双腔 2 毫焦耳25 毫焦耳的 Nd：YAG 激光（连续）脉冲激光是用来产生在波长为 532nm 的光束。激光束通过一个平凹透镜产生一个二维垂直的光片（2 毫米厚） 。进行两个系列的实验：1）速度测量 PIV 和 2）确定示踪剂的浓度的测量使用（PLIF） 。每一系列采用三个不同的叶轮旋转速度：225，300和 400rpm。这些叶轮转速对应的叶轮雷诺数分别为37,500，50,000 和 66,000。CCD 相机拍下在每一种情况下的500 个瞬间影像以确定的平均流速和混合特性。CCD 摄像机的摄像速率为每秒 3 帧。这些 500 图像的平均用以 PLIF 测量的校准。由 Moghaddas 等人描述的校准程序。 （2002 年）在速度测量的情况下，水箱中的水被接种与罗丹明-B 的荧光示踪粒子，1-20 微米的直径。在 225，300 和 400 三种转速下，分别测量以 23、30 和 37.5 度的叶轮刀片角的流场。使用的有两个长通滤波器（OG-550 和 OG-570（Melles Griot，Irvine，CA，USA） ）的 CCD 相机捕捉到了颗粒物的荧光信号。使用多路径审讯窗口减少从 3232 到 1616 像素的PIV 进行图像处理。浓度和混合时间的测量使用了 PLIF 技术。在这种情况下若丹明-590 被选择作为所述确定的示踪物，因为它有一个高发射的荧光强度时，照射 diated 具有 563 纳米的光，浓度在低浓度的线性关系。荧光从罗丹明-590 示踪剂使用两个过滤器：OG-570 与 570 nm 波长（中心波长）的截止，并集中在 573 nm 处的干涉滤光器与 CCD 摄像机（La Vision, FlowMaster 3S）记录 = 5 nm (MellesGriot, Irvine, CA, USA).通过一个下方的液体表面上的激光片材平行的挡板喷射口将罗丹明-590 溶液注入。喷射系统包括一个容易地控制喷射速度和流率的活塞泵。0.2 克/升的罗丹明-590 示踪剂溶液以1.67 毫升/秒的恒定速率在 1.5 秒到注入搅拌罐。然后从示踪随着时间的推移，在选定的像素位置的搅拌罐中的荧光信号的变化被测量。之前每个混合时间的测量，本体溶液中没有确定示踪剂的荧光信号为测量提供一种背景强度。由于体积的各喷射脉冲是小于 1/15200 中的流体罐，它假定示踪物的流动图案的效果是可以忽略不计的。混合时间，t95，被定义为从释放确定示踪剂的示踪物的浓度在特定的像素，直到水箱中的最终浓度达到 95。在实践中，t95 是确定的示踪物的均匀浓度 URC达 0.05 所用时间 t:其中，C0 和 C最初的示踪剂浓度和最终的平衡浓度。术语C（i 和 j，t）是在某个时刻 t，在径向方向“i” 和轴向方向“j”上的点处的浓度。从一个像素到另一个测量的像素混合时间，t95，可能略有差异，因此的数量的 URC 确定试验段中的所有像素调查，并然后使用公式（2）计算的平均混合时间。其中 m 和 n 的浓度分别为测量矩阵中的行和列的数目。假设混合过程中所要控制的搅拌罐中的能量耗散率，几个经验公式可以用于预测的混合时间。例如，Gao, Niu, Shi,和 Smith (2003)提出公式（3）其中系数 5.98 是实验的比例常数。公式（3）示出的叶轮速度和混合时间产生的结果 Nmix，将是基于假设叶轮泵送能力与（T / D）2 成正比。3、 数值模拟：3、1、数学公式通过结合质量守恒定律和动量能量方程，可以制定必要的流动方程的混合系统。在这项工作中，我们可以忽略的温度上升，由于粘性耗散。湍流流动的速度场得到真正的变化，守恒方程解决了一个大涡模拟（LES）湍流模型。在湍流尺度的分辨率，LES 在于一些地方之间的直接数值模拟（DNS）和 RANS（雷诺平均 Navier-Stokes 方程）的方法。基本上，大涡直接解决 LES，而小涡模拟。为 LES 控制方程，获得了过滤器的随时间变化的 Navier-Stokes 方程，无论是傅立叶（波数）的空间配置（物理）空间。过滤字体脱落过程中有效地忽略涡旋尺度过滤器的宽度是小于。因此，方程支配的大涡的动力。过滤变量由公式（4）来确定。其中 流体域和 G 是解析涡流的滤波器函数。有限体积离散隐式提供的滤波操作：其中，V 是一个计算单元的体积。空间滤波的不可压缩的牛顿流体的质量和动量守恒方程可以写为其中，ij 是亚网格尺度应力张量，反映未解决的解决秤秤上的效果。一个常见的亚格子尺度模型是 Smagorinsky-Lilly 模型（德克森，哈利，范登 Akker，1999 年） 。涡流粘度可由 模拟出。Ls 是混合长度亚格子尺度。用 Fluent 程序，Ls 用公式计算。K 是的 Von Karman 常数，d 是为最接近的壁的距离，和 V 是体积的计算单元。3、2、混合时间的估计在实际的搅拌槽有大的涡流，导致宏观经济的不稳定性，促进示踪剂质量交换通过这个边界。LES 模型能够捕捉细节的旋涡，特别是大的涡流，从而在预测的响应曲线示踪剂，甚至下降到泰勒和KOL-mogorov 微尺度由于在模拟一个足够小网眼大小。在仿真过程中的被动标量（种）运输，是一个双向互动的流场。标量场在数学上与管流场和标量场的解决方案的动力学方程不挂钩。因此，一个充分发展的紊流用来解决瞬态被动标量输运方程。种类的浓度由以下运输方程决定：其中，SC 是标量的源项，l 是考虑标量的分