石煤搅拌浸出槽的设计及数值模拟毕业设计【毕业论文+CAD图纸】

买文档就送您CAD图纸，Q号交流197216396或11970985 摘要我国石煤（含钒页岩）资源巨大，对石煤（含钒页岩）提钒的研究已成为稀有金属提取冶金领域的研究热点之一。空白焙烧低酸浸出成本低，钒的浸出率高，污染非常少少，但该技术的应用限制相对来说非常狭隘；相比之下，石煤高碱浸出提钒，和石煤高酸浸出提钒，污染少，都能够提高钒浸出率，但是因为钒的浸出成本比较高，从而限制了这些工艺的应用。因此有必要地利用计算流体力学（CFD）软件，采用标准k-紊流模型，分析非稳态非等温情况下，平直叶搅拌桨混合过程中浸出槽中流体的三维湍流流场和压力场的分布。基于Fluent软件，采用标准的k-湍流模型，欧拉-欧拉多相流模型，多重参考系稳态流动方法，对浸出槽内固液两相流动过程进行数值模拟对比。在本文中会设计一个搅拌槽，搅拌槽里的流体一般是硫酸溶液和含钒页岩固体颗粒，该搅拌槽由双斜叶桨，电动机，进酸管，浮球标尺等结构组成。因为流体主要成分是硫酸溶液，所以搅拌槽的槽底，槽体内壁，工作层，槽体顶盖都使用耐强酸性的材料，在这里用的是聚四氟乙烯。在模拟流场时会设置一定的运行条件，一般应用数值模拟方法研究浆叶转速和阻尼板高度对槽内固液浓度分布的规律，而在本文主要是研究桨叶的不同转速下流场的分布和桨叶的受力情况，从而对搅拌槽的结构进行优化。结果表明：（1）在一定范围内，增大浆叶的转速有利于改善槽内固液分布；（2）在一定的范围内，增大阻尼板的高度有利于槽内固相的上浮，提高钒的浸出率。 关键词：浸出槽 多重参考系 固液两相流Abstract Stone coal in China is rich in resources, studies of vanadium extraction metallurgy of rare metals has become a hot topic of research. Blank firing low acid leaching of low cost, high vanadium leaching rate, less pollution, but the technology is not universal; alkali leaching vanadium from stone coal, and roasting of vanadium and stone coal in high-acid leaching of vanadium, less pollution, are able to obtain high-vanadium leaching, leaching of high-cost, limited its application. Therefore it is necessary to use computational fluid dynamics (CFD) software, using standard k-e turbulence model, analysis of non-steady state non-isothermal case, turbine impeller mixing process in stirred tank of three-dimensional turbulent fluid flow field and temperature field distribution. Based on Fluent software, using standard k-e turbulence model, Euler-Ou Laduo flow model, steady flow of multiple reference systems, leaching trough for numerical simulation of solid-liquid two-phase flow in process. Application of numerical simulation of grout from the floor height, blade speed and vibration plate height rules of concentration distribution of solid and liquid in the tank. Results showed that in a certain range, increasing the blade speed to improve the distribution of solid and liquid in the tank in a certain range, increase the height plate floating in favour of solids in the tank; within the allowed range, lower the blade from the bottom height helps improve bottom sediment when the blade height to 0.3D is better.Key words：Leaching trough Multiple reference frames Solid-liquid two-phase flow目 录1 绪论41.1 选题背景41.2 选题的意义和目的51.3 本章小结52 浸出工艺的介绍62.1 石煤脱炭焙烧水浸提钒工艺研究72.2 提钒原理82.3 本章小结93 搅拌槽的结构设计.113.1 搅拌槽设计初步113.2罐体的具体数据123.2.1 长径比113.2.2 搅拌罐装料系数113.2.3 罐体的充液高度123.2.4 初步计算筒体内径123.3 本章小结134 搅拌槽的流体仿真及数值模拟144.1 仿真介绍144.2 CFD的主要分析方法144.3 模型的简化144.4 Gambit的网格划分方法144.5 流体仿真演示154.6边界条件的设定164.7 计算结果与分析164.7.1 图像分析164.7.2 搅拌轴影响174.8 结论224.9 本章小结225 毕业论文小结236 参考文献247 致谢261 绪论1.1 选题背景钒在我国众多领域都有广泛的用途，例如化工，机械化学，属于应用的资源，因此国家在这方面控制十分严格。 在应用型钢材中加入一定量的钒元素一般可以提高这种钢材的物理性能，例如强度，刚度，韧性。除此之外，钒还大量运用到很多合成金属中，例如钒钛合金，钒铁合金中，从而提高合金的物理性能，和化学性能。钒在地壳中的丰度非常大，大约在235度左右，因为钒在大自然中分布得非常广而且经常与别的金属元素形成化合物，所以一般不会单独存在于自然界中。在工业上，由于传统的提取工艺，提取率比较低，造成的废弃污染严重，金属回收率比较低等等问题，从而现在有必要的研究新的工艺流程，提高钒的浸出率，和减少对环境的污染。现在很多公司和工厂都在研究直接酸浸提取钒元素，但是由于在于封闭的搅拌槽，所以还是有点限制。虽然用直接酸碱浸出，在一定的程度上可以提高钒的浸出率，对于环境污染的这方面相对来说也是有一定的改善,但是由于酸在搅拌过程中不断混合稀释，pH值不断下降，严重影响钒的浸出率，同时酸的用量也是非常大的。石煤中钒难被浸出的还有的一个主要原因是很大一部分钒存在于高价态的化合物中中的，但是只要通过高浓度的酸溶液就可以破坏这种结构，从而提取钒。目前存在很多技术存在硫酸消耗量大，生产成本高，而且浸出渣过滤难，目前生产企业多采用加絮凝剂进行自然沉降，然后进行固液分离，渣中残留水分大，给渣的处理带来很大的压力，所以通过CFD技术优化搅拌槽搅拌浸出过程对解决目前情况是意义非常大的。搅拌使一种广泛应用于机械化学方面的工艺手段，就是为了在搅拌的过程中可以是多相流进行对质交换，促使化学过程和物料的混合均匀，通过搅拌使两相或多相尽可能地进行对质传递或则化学反应，达到获取目标物的目的。在本文采用ANSYS进行流场分析，利用ANSYS软件的流体分析模拟功能对标准搅拌槽在不同的转速，槽径，搅拌桨的桨型，浆叶大小，阻尼板数目，有无阻尼以及搅拌桨的离底高度的情况下，各个部位受压力和流场分布的情况。除此之外，在CFD中必须进行求解浓度方程，通过求解下面的方程，从而完成对流体的模拟：式中 为方程的源项； 为湍流扩散系数，为Schmidt数，为湍流运动黏度，取速度场中的值。1.2 选题的意义和目的搅拌的目的有很多，一般而言包括，通过搅拌提高浸出槽的搅拌效率，从而挺高固液两相的混合度，固液两相中固相的悬浮率，促进多相或者两相的化学反应，机械混合效果，或者通过搅拌从而提高气相或者固相在液相的分散度。在这里主要是利用搅拌的提高固液两相的化学反应这方面的作用。 鉴于很多情况都是为了提高搅拌槽中物料的充分混合程度。所以我们有必要知道在搅拌槽这个封闭的空间里流体的流动和混合情况，通过了解搅拌槽的流场分布和压力分布，就能够指导搅拌槽的设计，改善流场的分布，使其效益越来越高。CFD技术可以在比较短的时间内，对模拟对象进行数值模拟，而且可以改变搅拌槽的运行条件，例如转速，温度，pH值等等方面，从而达到最佳的设计效果。CFD数值模拟，可以从数值方面（这个方面比较客观和直接）流场的具体数值，从流场的粘度，密度方面呈现流场具体情况，使我们更加了解混合机理，从而提高我们在搅拌方面的知识运用。近几年来，CFD技术不断地发展，涉及的领域也在不断地扩展，CFD技术通过使复杂的流体流动过程数值化，减少了以前实验室对实际操作的经济投入，大大减少了人力物力，获得更大的研究成果，为流体相关的研究提供了必要的参考，所以CFD将对搅拌设备的开发带来颠覆性的变化，只要充分利用CFD技术，我们就能提高搅拌操的搅拌效率。在这里是运用PROE，Gambit，和Fluent对搅拌槽的流场进行模拟，所以基于Fluent的数值仿真可以优化搅拌槽的结构，使搅拌的结果得到最优化，这里主要分析了改变搅拌槽的阻尼板的高度大小，浆叶的转速，鉴于实验条件的限制，本文主要研究浆叶的转速，从而分析搅拌槽的最优结构，从而提高含钒页岩的钒的浸出率，在这里借鉴了吴宗武老师的搅拌槽流体仿真，通过老师的专利发明，从中学习，这是这次毕业论文的目的之一。除此之外，通过这次的毕业论文我可以学习了计算流体力学的分析过程，了解到含钒铁矿石是如何提纯钒的，从而学习钒搅拌浸出的具体工艺，除此之外，我还学习Fluent，Gambit等软件的最基础的操作，不过在里面我遇到很多困难，不过在老师的指导下都能一个一个解决，从而能提高自己的专业技能，这也是这次毕业论文的目的之一。 1.3 本章小结 在这一节中，我们主要介绍了石煤提钒的目前状况，主要介绍了钒在工业，生活方面的应用，还有目前比较突出的问题，就是提钒过程中所产生的污染。除此之外，还介绍了搅拌过程在工业上的应用，因为在实验室中无法实物实验，这也不符合实际，所以还介绍了CFD（计算流体力学）在搅拌方面的应用。2 浸出工艺的介绍 在工业应用中，现在大部分传统工艺都是利用石煤，把石煤作为提炼钒的主要来源，因为石煤广泛存在于我国的土地中，但是石煤的分解提炼还是存在很多的问题，目前，绝大多数工业应用，都是把强氧化剂混合高浓度酸，通过外部加热，在利用萃取剂进行萃取钒的工艺过程，虽然这种新型的工艺流程相对传统的工艺流程有着钒的提取率高，对周围环境的污染相对较小的好处，但是因为在搅拌过程中随着酸的消耗，流体pH值不停下降，温度的改变，这些因素的影响，也因此增加了工业应用中能量损耗，资源浪费。石煤是因为掩埋在海底里，经过海底的绝大多数的分解者进行分解，分别有藻类，真菌类别，最后经生物化学作用，这些有机质逐渐分解出H2S、CO2、CH4等气体，而分解不完全遗留下来的有机物进行一定的化学反应，有机质比例不断增加，再经复杂的成岩作用过程，最终形成现在有利用价值的石煤。我国大部分的含钒页岩中，钒是以类质同像的形式赋存于钒云母，黑云母，白云母，水云母和伊利石凳云母类矿物中，因此对此也有不少的提纯工艺。现在很多公司或者工厂都着重于研究具有绿色标志的工艺流程，响应国家的号召，提高提钒过程中金属回收率和资源的利用率，减少提钒过程中产生废弃物对环境的影响和搅拌过程所用的物资。这些工艺有不少，在这我们暂时介绍石煤直接酸浸提钒工艺，该法与传统石煤传统提钒工艺相比，终于在很大的程度上减少工艺工程所产生的污染，而且产品回收率高，可直接得到高品位的钒产品等特点。以下是直接酸法从石煤中提钒的工艺流程图：图1 直接酸法从石煤中提钒的工艺流程2.1 提钒原理 钒在氧化钠化焙烧过程中发生的主要化学反应是： 在钠化焙烧前，将石煤在氧化气氛下预脱碳，使石煤中的含碳量降低到8%，粉碎后碜入一定量的氧化钠，在800左右的高温下进行焙烧。 而在本文主要介绍的是直接硫酸浸出搅拌槽的数值模拟研究，根据往前的研究可知覆盖在固体颗粒的盐颗粒的扩散速率与周围的流体的流动速度和溶液的浓度变化范围有一定的关系。所以增加溶液与固体颗粒之间的速度差有利于加快固体颗粒表面溶液的对质转率，减少传质边界层厚度，显著增加扩散速率，从而提高钒的浸出率。因此，通过CFD流体数值模拟，可以数值化流体参数，进而对钒的浸出率有着重要的影响。在生产实践中，由于搅拌槽的封闭性，仅依靠一些经验和有限的测试有限性，所以很难了解其中固相的分布情况和流体的流动的规律。因此本研究采用CFD技术对浸出槽内固液两相的流动过程进行了数值模拟，研究不同浸出槽结构的流场，固相浓度场的分布特性，为浸出槽的优化设计提供一定的实际理论指导。2.2 石煤脱炭焙烧水浸提钒工艺介绍 从石煤中提钒的主要工艺流程有：（1）石煤处理到氯化钠焙烧到水浸到酸沉淀粗钒到碱溶到沉淀偏钒酸铵；（2）石煤处理到氧化焙烧到酸浸到萃取到铵盐沉钒。以上是在目前工业上石煤提钒的工艺过程，这些工艺存在的主要问题是：环境污染非常严重。因此提高钒的浸出率的研究是石煤提钒的一个重要方面。提高石煤提钒的回收率是研究的重点，着重于优化浸出条件及浸出工艺。相对来说，这里通过流体仿真，有必要地了解搅拌槽的实际工作情况，从而提高搅拌的搅拌效率。除此之外还有含钒页岩的浮选，在含钒页岩的提钒的过程中，有时需要采用浮选的方法进行脱碳预富集钒。这样做的目的是：脱碳，提高钒品味，使低价态钒升价氧化，破坏含钒矿物晶体结构。石煤中常含10%20%碳，就是因为大量的浸出碳覆盖在固体颗粒上，从而阻碍钒的浸出过程。浮选脱碳可消除其对钒浸出的不利影响，并回收碳，同时提高石煤中钒的品位。以下是石煤脱碳工艺路线与设备，下面的三维图是来至于武汉科技大学实验室所涉及的含钒页岩浸出搅拌槽的模拟图。其中包含着3个浸出槽，一个储液罐，一个配料罐和硫酸罐，四个沙轮泵电动机等组件。首先硫酸罐的硫酸通过沙轮泵和电动机的作用进入配料罐（含钒页岩和水的初步混合），再经过电动机的作用配料罐的混合溶液进入储液罐进行了进一步的混合，最后储液罐的混合液体流经三个浸出槽的一步进一步的浸出过程，从而进行提钒，而且这个过程是循环进行的，所以可以大大提高钒的浸出率。 图2.1 浸出设备展示图2.2 连续浸出设备3D模型 图2.3 工艺设备与路线2.3 本章小结 在这一节中我们主要介绍了石煤提钒的工艺路线和工艺设备，分别在浸出工艺过程，石煤脱碳焙烧水浸提钒工艺以及提钒原理的这三个方面对提钒工程进行了详细的介绍，为下面对搅拌槽结构的设计提供了参考。3 搅拌槽的结构设计 在本设计中，我们是为了设计一个提钒装置，而且在提钒装置中搅拌槽的结构设计对于流场也是有很大的影响的。因为在搅拌罐里主要的是硫酸溶液和含钒页岩固体颗粒的混合流体，硫酸作为浸出液，其pH值的变化程度是对搅拌过程来说占很重要的位置，所以我们也必须严格控制搅拌槽的pH值，设计一个恒pH值得搅拌槽是搅拌槽结构设计的一个重要方面，除此之外设计的重点内容还有桨型的选择，阻尼板的设计和安排分布等等，这都是设计的主要内容，在下面的论述中将会详细介绍。3.1 搅拌槽设计初步本设计是涉及一种恒温的含钒页岩搅拌浸出槽。其技术方案是：槽顶的中心位置处装有搅拌装置，槽顶上固定地设有进酸管。搅拌装置的搅拌轴为上端密封的空心轴，电机通过联轴器与搅拌轴联结，搅拌轴的下端装有双斜叶平直桨。槽身的外壁到内壁依次为外包层，保温层，加强层和工作层，槽底的中心位置设有四通管。槽身的内壁为工作层，槽身的外壁为外包层，加强层紧贴着工作层，加强层和外包层间为保温层，其中保温层是由矿物棉构成，外包层和加强层是由不锈钢构成，工作层是由聚四氟乙烯构成的；槽底由底部壳体和底部内衬组成，底部内衬紧贴底部壳体的上表面；四通管的一个水平管口为冲洗水入口，另一个水平管口为排料口，朝下管口为排渣口。平桨的长度为工作层内壁半径的.底部内衬，工作层和底部内衬的厚度均为mm.底部壳体，加强层和顶盖的厚度均为mm。所述保温层为矿物棉，厚度为55mm。 图3.1 搅拌槽的CAD简图图3.2 搅拌槽体三维立体图 搅拌装置由电机，联轴器，搅拌轴，平桨组成；电机固定地安装在外支架上，电机通过联轴器与搅拌轴连接；深入搅拌轴长度为工作层高度的.图3.3 搅拌桨的CAD简图与三维立体图3.2罐体的具体数据3.2.1 长径比 体积一定时，长径比越大，表面积越大，越利于传热；并且此时传热面距罐体中心近，物料的温度梯度就越大，有利于传热效果。因此，单纯从夹套传热角度考虑，一般希望长径比大一些。 而且需要较大搅拌功率的，长径比可以选得小些。基于以上因素及这里是一般的搅拌罐，所以这里长径比选择1.5。3.2.2 搅拌罐装料系数3-1一般取0.6到0.8，即V g=0.83.2.3 罐体的充液高度H=0.30m。3.2.4 初步计算筒体内径3-2 所以D=300mm，这里罐体内径T=0.30m。根据相关研究要求：1.伸入槽体内的搅拌轴长度为工作层高度的7/8到8/9，这里选择7/8；2.搅拌桨的长度为工作层内壁半径的1/4到1/3，这里选择1/3，所以叶片宽度为55mm.3.叶片的高度为D/5=0.02m。4.所有厚度尺寸均为3mm。5.挡板的宽度为W=T/10=0.03m.6.初步选择浆叶距罐底高度T/3=0.10m。7.六直叶搅拌桨的直径D=T/3=0.10m。8.浆叶转速初始值为200rpm。9.外包层的厚度为mm，底部壳体，加强层，顶盖的厚度均为mm 10.底部内衬，工作层和顶部内衬的材质为聚四氟乙烯，厚度均为mm11.保温层为矿物棉，厚度为mm。3.3 本章小结 在这一节中我们介绍了提钒装置中的搅拌槽的设计，初步确定了搅拌槽的结构参数，和决定了搅拌槽的桨型，最后还在CAD，PROE中分别展示了搅拌槽的二维结构，三维结构。是对我们搅拌槽的具体结构有一个初步的认识，为下面的流体仿真，结构优化提供的参照。4 搅拌槽的流体仿真及数值模拟 4.1 仿真介绍 由于准确描述和模拟搅拌槽内的流场规律，对搅拌槽结构与操作参数优化具有重要的意义。近几年来，CFD技术不断地发展，涉及的领域也在不断地扩展，CFD技术通过使复杂的流体流动过程数值化，减少了以前实验室对实际操作的经济投入，大大减少了人力物力，获得更大的研究成果，为流体相关的研究提供了必要的参考。为此，本文拟用计算机流体力学（CFD）技术对湿法炼钒浸出工序中使用的机械式搅拌浸出槽内的流场进行数值模拟，为浸出槽的优化设计提供理论指导。4.2 CFD的主要分析方法 目前搅拌设备CFD分析主要有四种方法：黑箱模型法，多重参考坐标法，内外迭代法和滑移网格法。在这里本文是运用多重参考系法进行分析，由于如果设备配有挡板的话，就可以避免打旋现象的产生。4.3 模型的简化1. 流体为连续的不可压缩的牛顿流体，槽体在搅拌的过程中可被视为各向同性湍流。2. 搅拌槽内具有稳定的流场分布。3. 在这里我们考虑到重力的影响，并在FLUENT中设为-9.81m/s2.，根据文献中机械石搅拌的数值模拟与实验测试的结果，该研究中采用K-e湍流模型，充分考虑了重力的影响，最后对搅拌槽内的流场情况进行了模拟预测，完成数值模拟。4. 由于在这里我们是采用多重参考系，在PROE中建模的，所以我们把搅拌槽分为桨叶区和桨外区进行建模的。4.4 Gambit的网格划分方法研究对象为平底圆形槽，槽体直径为T，高为1.5T，搅拌桨采用四直叶桨，直径为T/3,底层桨叶离地高度T/3，其三维图如下。由于这个搅拌设备模型比较简单所以应用Gambit软件，建立了圆形槽几何建模，分别把两个模型导入GAMBIT里面进行划分网格，而且这里使用的是整体网格，这是因为模型相对不是太复杂，并采用质量较好的正四面体混合网格结构化网格进行网格划分，总体网格划分见图六。这里（1）是桨叶区的网格划分，（2）是桨外区的网格划分，最后（3）和（4）是搅拌槽装配图的网格划分。在这里想好好强调一下，其实画网格对于流体仿真的影响是非常大的，如果网格画的好的话，在FLUENT中仿真效果也是非常好的，图像更接近实际，如果网格画不好的话，这样会让图像失真，这样对我们的实验效果是十分不好的。所以在这里会介绍另一种画网格的方法。1 先在PROE中建立好搅拌槽的模型，这里和上面模型是不一样的，在这里建立的模型是桨叶区和桨外区的装配图，激活保存为.sat格式。2 把装配图的.sat文件导进去Gambit中开始进行画网格。3 总体来说是先画线网格，在画面网格，最后画体积网格，在画网格之前搅拌桨是可以删去的，因为搅拌桨在Gambit中不参与网格划分。4 分两个部分画网格，分为桨叶区和桨外区，桨叶去按照上面的步骤，线面体积，这样画网格，网格的间距尽量保持一致。对于桨外区，我们可以用两个平面将桨外区分成三个部分，分别进行画网格，这样可以使网格画个更加均匀，更加美观，仿真的效果更好。4.5 流体仿真演示 在FLUENT中设置两中介质材料，为了有些区分度可以将两种材料的属性设置得有比较性点。 根据搅拌槽的特点，计算中使用多重参考系法，即将搅拌器所在的区域定义为动参考系，其余区域为静参考系。模拟物系密度为1450kg/m3,粘度为0.001Pa.s。图六是两种网格画法的对比，明显第二种，也就是（4），网格的分布效果更好，这样对下一步的数值仿真的效果会更好。 (a) (b) （c） （d）图4.1 搅拌槽的网格划分4.6边界条件的设定 结合实际的研究对象，边界条件定义为：1 入口边界：速度的入口设定为inlet，进口的速度设定为1m/s；2 出口边界：出流边界设置为outflow,在本文中出口不给速度让它自流，即速度为0m/s；3 搅拌轴按300转/分转动（初步设置）；4 壁面边界：将设备中静止的搅拌槽固体壁面定义为无滑移壁面边界，意味着靠近静止固体壁面黏性流体的速度为0 m/s；5 液体表面与空气接触，因此可以把液面定义为自由滑移壁面；6 最后将搅拌桨定义为动边界，它的边界类型为壁面边界，因此搅拌桨处于运动流体区域，且与周围的流体以同样的转速运动，也就是相对于区域内流体是静止的，也就是相对速度为0 m/s；7 设置交界面，搅拌槽设置为两相流，为欧拉模型，并设置好两相成分；8 最后初始化，同时设置第二相体积分数，本文设定为0.3，并保存文件，开始计算，先设1000步，直到收敛为止。9 在这里我们忽略化学反应和出入口温度差对固液两相流场的影响。4.7 计算结果与分析 在此之前首先介绍以下临界离底转速和搅拌混合机理，临界离底转速指的是槽内固体颗粒在搅拌时完全离底悬浮时搅拌桨的最小转速。除此之外，相关论文指出，根据钟丽等人界定，他们认为槽底固体颗粒的最大体积分率小于0.52时，就可以认为槽底固体颗粒完全离底了，并且据研究基于CFD的方法固体完全离底悬浮的最低转速为144转/分运动，所以初步设置搅拌轴的速度为300转/分。 当10时，叶轮周围液体随叶轮旋转作周向流动，远离叶轮的液体基本是静止的，属于完全层流。当=1030时，液体的流动达到釜壁，并沿釜壁有少量上下循环流发生，此现象为部分层流，仍为层流范围。当=30时，桨叶附近的液体已出现湍流，而其外周仍为层流，此为过渡流状态。当时，流体达湍流状态。若釜壁处无挡板，由于离心力的作用，搅拌轴附近会形成旋涡。搅拌器转速越大，形成的旋涡越深，这种现象称为“打旋”。图七为进行计算机进行运算后的残差曲线图。图4.2 残差的收敛曲线图4.7.1 流场分析为研究阻尼板对搅拌槽流场分布的影响，所以对槽内有无阻尼板，和阻尼板的高度进行数值模拟。以下就简单分析一下阻尼板对搅拌槽流场的影响。1. 速度分析根据相关的研究，加阻尼板时可以发现搅拌槽内的流场是以轴向为主的，并具有少量的周向流，而且在搅拌桨区附近有一定的涡旋区。当把阻尼板拿走后，可以发现搅拌槽的流场分布是以周向流场为主。之所以会这样，是因为当搅拌桨产生周向流的时候，周向流遇到阻尼板，从而改变了方向，也就是当流体的速度和方向发生改变之后，导致固液两相的密度不一样，在惯性力的作用下产生速度差，说导致顶部和底部的周向流更多地转为径向流，更多地流向轴心，也因此产生更多的涡旋，就是因为这些涡旋的产生，加强了搅拌槽内固液的对流传质，也就是加大了石煤钒的浸出率。 2.桨叶的压力分布分析：其实在工业现实上，可能会经常发生在搅拌过程中会发生桨叶断裂的情况，降低石煤中钒的浸出率，并且有可能导致一定的工业事故从而得不偿失。导致搅拌过程中的桨叶发生断裂的情况非常复杂，有可能是金属疲劳，可能是固液分布的影响，也可能是搅拌轴的转速的变化，但是这里我们只研究一下，无阻尼板时，在桨叶搅拌时在桨叶上的压力分布，因为归根结底，都是可能桨叶受力不均不妥导致的桨叶断裂。图八为桨叶搅拌时的压力分布情况。、图4.3 桨叶的压力分布由图可以看到桨叶的顶端所受的压力是最高的，从顶端到转轴压力逐渐减弱，之所以造成这原因，阻尼板的存在与否会影响搅拌槽的流场分布情况。还有在这里指出最大压力发生在桨叶的顶端，在这里逐渐减少。压力分布之所以会这样，是因为在桨叶的顶端，桨叶会受到最大的切削力，同时桨叶顶端处于搅拌槽的高速区，因此桨叶顶端受的压力是最大的，顶端到底部逐渐减少。可以看出当阻尼板存在的时候无论在流场分布方面，还是在桨叶受压方面，都会有一定的好处，可能因为当流体遇到阻尼板时发生碰撞，导致流体的速度下降，相对于图10的无阻尼板的搅拌槽，无阻尼板的搅拌槽，流体流动速度过高，产生更多的高速涡旋，对桨叶的切削力更大，所以加有阻尼板可以改善了搅拌槽的流场的分布。但是阻尼板对搅拌状况的影响还是有一定的限制的，这里主要研究阻尼板的有无对搅拌效率的影响，当然这不是唯一的影响因素，例如搅拌槽阻尼板的高度，分布等等，对搅拌槽的流场分布或多或小会有很大的影响。4.7.2 搅拌轴影响 上面我们研究了阻尼板对搅拌槽流场的影响，下面我们研究搅拌轴的转速对搅拌槽会产生什么样的影响，相对与阻尼板，桨叶的搅拌的搅拌速度会有更大的影响，因为桨叶的速度可以在搅拌过程动态调整，如果根据搅拌效果实时调整转速，这样相对于固定的因素会更有效率，从而确定搅拌轴的最佳转速，从而可以降低能耗。在此之前我们先介绍一下，目前国内外对混沌混合理论的研究。据研究当混合雷诺数小于500时，在搅拌桨叶的上下部位会产生混合隔离区，这两个区域互不相干，互不影响，严重影响搅拌效果，而混沌混合可以破坏混合隔离区，从而改善搅拌槽的搅拌效率。所谓混沌混合，简单来说就是一种可以破坏流体流动周期性的一种流体流动方式。在流动混合中可以分成三种混合形式：对流混合，剪切混合和扩散混合。其中以对流混合效率最高，而扩散混合效果是最差的，它是层流混合中的主要形式，所以在设计搅拌槽的时候必须让搅拌槽内的流场尽量处于对流混合的情况中。据研究要让搅拌槽产生混沌混合有两种方式，一种是时间混沌混合，主要形式是变速搅拌。随着速度的波动，搅拌桨上下两部分的混合隔离区的位置在不断在变化，所以在两个固定的速度值之间，搅拌桨的速度逐渐在改变的话，这样的话，整个搅拌槽都可能处于混沌混合区中，从而可以改善钒的浸出效果。另外一种是空间混沌混合，其主要形式是偏心搅拌，侧入式搅拌，错位桨叶搅拌等等形式。在这里我们主要研究变速搅拌。所谓变速搅拌就是要么改变搅拌的方向，要么改变搅拌的速度，也可以同时改变速度和方向，由于为了研究方便，我们暂时研究分别改变搅拌桨的速度。我们是这样设计搅拌桨的变速范围的，首先我们先设定搅拌桨几种转速，分别进行CFD数值模拟，经过对比，观察拿两个范围内的流场变化是最大的，或者这样说，在哪个范围内流场变化更大或者出现更多的对流混合现象吧。由于我们在这里开始初步决定的搅拌桨转速为300转/分，所以我们暂时初步设置三个转速范围值，分别为300转/分，500转/分，1000转/分。搅拌槽的流场速度分布如下图： 图4.4 桨叶转速为300转/分 图4.5 桨叶的转速为500转/分 图4.6浆叶的转速为1000转/分1 当转速为300（大于144）转/分的时候，固体显然也完全离底悬浮了，但是靠近液面的部分流场分布相对其他部分来说，流场的速度非常低，但是在搅拌槽的中部（桨叶附近的高速区）搅拌效果相对来说效果较好，底部次之。之所以会这样，是因为当桨叶在高速转动时，高速区附近没有阻挡物，流场主要以周向流场为主，含钒页岩颗粒从底部起将会大部分停留在高速区进行对流搅拌，所以在高速区搅拌效果是最好的，顶部最差，靠近底部的次之。在每个速度云图的后都有一个沿X轴方向的线的速度分布，从这些图也能看到搅拌槽的速度分布都是从槽壁开始到搅拌轴，先增大后减少，沿着搅拌轴对称分布。2 转速为500转/分的搅拌效果和转速为300转/分的搅拌效果变化不明显，相反，转速为500转/分时，搅拌槽顶部的流场分布效果更差，靠近槽底的效果更好，这是因为搅拌速度增大了，更多的对流混合发生在高速区附近。但是当桨叶速度为1000转/分无论是速度分布，还是桨叶的压力分布相对与前面都有很大的区别。首先当搅拌速度为1000转/分时，搅拌效果在高速区和靠近槽底时与前面两种情况没有太大改变，但是在靠近液面的部分的速度流场有很大的改善，这样可以提高靠近液面部分的搅拌效果，从而可以整体上提高含钒页岩的浸出率。除此之外，从沿着X轴方向的线的速度分布相对前两种情况也是有一定区别的。靠近高速区的部分速度更高，与桨叶的速度相差不大，而且靠近轴的部分流场的速度相对前面两种情况速度也比较高的，这是因为当搅拌桨速度高达1000转/分的时候，高速区周围产生更多高速涡旋，而且围绕着搅拌轴。3 所以总体来说，当转速为1000转/分时的搅拌槽的搅拌效果是最好的。但是由于靠近槽底的混合液体流速比较大，所以也有可能增大搅拌桨和固体颗粒的碰撞，增大桨叶的磨损几率。 除了分析搅拌槽的速度分布，还要分析桨叶的在不同的速度下的压力分布，这会对设置桨叶速度，更符合实际，是桨叶有更长的使用寿命。下图为桨叶在三个速度下的压力分布图：图4.7 转速300转/分图4.8 转速500转/分图4.9 转速1000转/分 就搅拌桨所受的压力来说，前面两种情况相差不大，但是第三种情况相对于前面两种情况差别还是挺大的，就压力分布来说除了它的桨叶叶端的压力最大之外，随着桨叶顶端到轴所受的压力也是又说增加的，而且它的压力分布相对来说不均匀，搅拌槽的其他部位所受的压力也有所增加。这都是因为搅拌桨的速度的提高，搅拌槽的流体的流动速度大幅度提高，固体颗粒的流速也随之提高，所以桨叶所受的剪切力也不断地提高，在考虑提升速度的同时，必须考虑速度的提高所带来的桨叶磨损几率的提高。4.8 结论1 对于搅拌效果的提高来说，使用具有阻尼板的搅拌槽可以改善固体颗粒的悬浮情况，提高钒的浸出率，但是也要根据具体实际设置好阻尼板的高度。2 变速搅拌可以促使混沌混合的发生，使混合隔离区上下不多浮动，打破流体流动周期，提高钒的浸出率。在本研究中当搅拌速度为1000转/分是最合适的。3 在设计搅拌槽的运行条件是除了考虑阻尼板的有无，和搅拌速度的大小对浸出效果的影响，还要考虑到桨叶所受到的剪切力，以免在搅拌过程中由于搅拌的磨损而发生工业事故。4 在考虑转速和阻尼板的作用是，也要注意转速和阻尼板之间的作用关系，因为当主食过高的时候，搅拌雷诺数也会提高，当他大于1000是，就会出现大量的漩涡，可以通过调整阻尼板，或则打断回旋路线的方法来减少这些现象的出现。4.9 本章小结 在这一节中我们主要通过PROE建模，Gambit建网格，Fluent进行最后的流体仿真，通过流体仿真，了解到搅拌槽在不同的工作条件下的流场分布，通过流产分布，对该搅拌槽结构，和工作的初始条件进行最优化设计，是搅拌槽的结构更符合效率要求,提高石煤中钒的浸出率。5 总结与展望（1） 经过维持一个多月毕业论文的攥写，感觉还是获益不小的。在这之前首先要感谢学校还有吴宗武老师能给我这个机会接触到这个对我来说从来没有涉及的事物，感觉还是挺新鲜的，因为流体仿真在大学四年我们从来没有学习过，无论是软件FLUENT，还是GAMBIT，对我来说都是新事物，当然这几个软件学起来还是挺费劲的，从一开始接触到流体仿真，当然这也才是学习最基础的东西，也只是涉及搅拌槽的流场设计和数值仿真，毕竟是没接触过的软件，而且还都是英文的，刚开始真的挺困难的，不过幸亏在吴宗武老师的指导下，我从一开始什么都不懂，到现在对这几个软件的初步认识，足足花费了大半个月。不过在开始攥写论文之前，还有一步就是要大量阅读有关CFD数值仿真，流体搅拌，搅拌槽设计的论文，充分了解计算流体力学和石煤提钒也就是含钒页岩的搅拌浸出的前沿技术，为论文的攥写做充分的准备。在阅读以前相关的论文时候，我还能学习到攥写相关论文的作者严密的逻辑推理，和科学的实验方法，从他们的推理和科学实验方法中，我能总结出适合自己文章的想过的论述手段和实验过程，不过对于我来说不是实验方法的设计，而是软件方面的图像处理，这东西都要自己摸索，即使是老师也不能每时每刻得在身边指导你，所以我在网上翻阅了大量关于FLUENT的大量实例设计，但是由于我软件的版本跟网上不太一样，所以还是花费不少的时间去摸索，但也有异曲同工之效。（2） 这一次我所完成的CFD流体仿真应该是在这软件最基础的部分，在写这篇的论文的时候，所用的插图是用FLUENT基本的功能的，我在阅读想过的论文的时候除了类似的插图外，还有其他其他更加直观的仿真的，鉴于现在水平所限，暂时无法完成，但是我觉得这是作为学生的我应该研究的，学习更多仿真方式。除此之外，对于仿真来说，网格的划分是非常重要的，如果在能提高我画网格的质量，仿真的质量也会有一定的提高。本人在论文的观点方面还是缺乏创新，只是在别人观点上做一些延伸，希望我在下面的学习中能学习更多的研究方法，提出更加创新的观点，提高论文的质量。6 参考文献1 王福军.计算机流体力学分析CFD软件原理与应用.北京：清华大学出版社，19902 洪庆章，刘青吉，郭嘉源，ANSYS教学范例.北京：中国铁道出版社，20003 李皓月，周田