（化工过程机械专业论文）搅拌反应器流场与动力性能的模拟及实验研究.pdf

郑州大学硕士学位论文 摘要 搅拌反应器是一种在过程工业中广泛应用的反应器类型，并且在化学化工等 领域占有主导地位，长期以来，各国学者对搅拌槽流场的特性进行了许多深入的 研究，越来越多的学者认识到准确获取反应器内的流动信息对于优化设计、开发 新型搅拌反应器是十分重要的。 本文首先对一种搅拌反应器( 分别装有平直叶桨和4 5 0 倾角折叶桨两种桨叶) 的内部流场进行考察，用p i v 系统的实验结果来验证f l u e n t 模拟结果的可靠性。 然后再进一步使用f l u e n t 软件对流场的宏观规律、速度特性、湍动性能、剪切 性能、功率消耗等特性参数进行研究分析，得出如下结论： 1 通过对搅拌槽内流场的宏观规律、速度特性的定性、定量分析，结果显示 两种方法得到的流场特性和数据曲线基本吻合，说明本文采用的数值模拟方法可 行，结果可靠。在模拟过程中所选用的m r f 流场处理方法、r n gk - 湍流模型、 边界条件的设置对于搅拌反应器的流场分析具有良好的适应性。 2 平直叶桨所形成的“双循环流”和4 5 0 倾角折叶桨所形成的“整体循环流” 有明显的差别，因此它们体现了对流体的不同作用：径向流的平直叶桨主要是对 流体起剪切作用，轴向流的4 5 。倾角折叶桨主要是对流体起循环作用。 3 搅拌槽内的湍流动能主要产生于搅拌桨叶区域，湍流动能也集中耗散在这 些区域，说明这些区域湍动程度比较高，混合效果比较好。而且平直叶桨的湍动 性能明显好于4 5 0 角折叶桨，说明平直叶桨的剪切、破碎、分散作用要好于4 5 。 倾角折叶桨。 4 搅拌槽内剪切作用主要发生在桨叶周边，在桨叶区依靠剪切作用来分散、 充分混合物料，总体上平直叶桨的剪切率比4 5 0 倾角折叶桨的大得多，特别是在 桨叶边缘区域。 5 4 5 0 倾角折叶桨虽然剪切能力弱，但是相对于平直叶桨可以节省将近4 0 的功率消耗，显然在经济性上要优于平直叶桨。 6 平直叶桨和4 5 0 倾角折叶桨具有不同的混合操作特性：平直叶桨主要产生 径向流，剪切作用大，湍动程度高，有利于搅拌槽内物料的破碎、分散，属于剪 切型桨叶；4 5 0 倾角折叶桨主要产生轴向流，整体循环能力强，功率消耗相对少， 郑州大学项士学位论文 有利于搅拌槽内物料的搅匀、混合，属于循环型桨叶。对于不同的混合要求和操 作条件，应该选择不同的桨型，如果要求剪切作用较强，就应该选择剪切型桨叶； 如果对剪切作用的要求不是很高，只要能够满足物料整体混合的要求，在节省功 率消耗的前提下，应该选择循环型桨叶。 7 使用f l u e n t 模拟软件与p i v 测速系统相结合的方式对搅拌反应器进行 设计、优化和选型可以更经济、快捷、可靠。 关键词：搅拌反应器；c f d ；d p i v ；多重参考系法 l i 郑州大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h es t i f f e dr e a c t o ri st h ew i d e s p r e a da p p l i e dr e a c t o rt y p ei nt h ep r o c e s si n d u s t r y , a n di tt a k e sal e a d i n gp o s i t i o ni nc h e m i s t r ya n dc h e m i c a li n d u s t r y i nal o n gp e r i o d ， s c h o l a r sf r o md i f f e r e n tc o u n t r i e sh a v et a k e nl o t so fd e e pr e s e a r c h e so nt h ef l o wf i e l d c h a r a c t e r so fs t i r r e dt a n k , a n dm o r ea n dm o r es c h o l a r sb e c o m ec o g n i z a n tt h a ti t s i m p o r t a n tt oo b t a i nf l o wi n f o r m a t i o na c c u r a t e l yi nr e a c t o rf o ro p t i m i z i n gd e s i g na n d d e v e l o p i n gn e w s t i r r e dr e a c t o r t h i sp a p e rf i r s t l yh a sr e s e 西c h e dt h ei n n e rf l o wf i e l do fas t i r r e dr e a c t o ra s s e m b l e d w i t hf l a tb l a d ei m p e l l e ra n d4 5 。a n g l ep i t c h e di m p e l l e rr e s p e c t i v e l y , a n du s e d e x p e r i m e n tr e s u l t so b t a i n e db yp s y s t e mt o c h e c kt h er e l i a b i l i t yo ff l u e n t s i m u l a t i o nr e s u l t s t h e n , u s e ds o f t w a r ef l u e n tt o 如r t h e rr e s e a r c ha n da n a l y z et h e f l o wf i e l dc h a r a c t e rp a r a m e t e r ss u c ha sm a c r o s c o p i cr e g u l a r i t y , v e l o c i t yc h a r a c t e r , t u r b u l e n tp e r f o r m a n c e ，s h e a rp e r f o r m a n c ea n dp o w e rc o n s u m p t i o n ，a n do b t a i n e ds u c h c o n c l u s i o n sa sf o l l o w i n g ： 1 t h r o u g ht h eq u a l i t a t i v ea n dq u a n t i t a t i v ea n a l y s i so nm a c r o s c o p i cr e g u l a r i t ya n d v e l o c i t yc h a r a c t e ro ff l o wf i e l di ns t i r r e dt a n k , i t ss h o w e dt h a tt h ef l o wf i e l dc h a r a c t e r a n dd a t ac u r v eo b t a i n e db yt w om e t h o d sa r eb a s i c a l l ys a l n e t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n m e t h o du s e di nt h i sp a p e ri sf e a s i b l e , a n dt h er e s u l t sa r er e l i a b l e t h ef l o wf i e l d t r e a t i n gm e t h o d ss u c ha sm r f - r n g k - et u r b u l e n tm o d e la n db o u n d a r yc o n d i t i o n s s e l e c t e di ns i m u l a t i n gp r o c e s sh a v ep e r f e c ta d a p t a b i l i t yf o rf l o wf i e l da n a l y s i si ns t i r r e d r e a c t o r 2 t h e “t w oc i r c u l a t i o nf l o w f o r m e db yf l a tb l a d ei m p e l l e ri so b v i o u s l yd i f f e r e n t f r o mt h e w h o l ec i r c u l a t i o nf l o w f o r m e db y4 5 0a n g l ep i t c h e di m p e l l e r , s ot l l e y e x p r e s sd i f f e r e n te f f e c tt of l u i d ：f l a tb l a d ei m p e l l e rw i t hr a d i a lf l o wc h i e f l yg e n e r a t e s s h e a r i n ge f f e c tt of l u i d ，a n d4 5 。a n g l ep i t c h e di m p e l l e rw i t ha x i a lf l o wc h i e f l y g e n e r a t e sc i r c u l a t i o ne f f e c tt of l u i d 3 i ns t i r r e dt a n k , t h et u r b u l e n c ek i n e t i ce n e r g ym a i n l yg e n e r a t e si nt h er e g i o n a r o u n di m p e l l e r , a n dt h et u r b u l e n c ek i n e t i ce n e r g ya l s om a i n l yd i s s i p a t e si nt h i sr e g i o n , i 郑州大学项士学位论文 s oi t ss h o w e dt h a tt h et u r b u l e n td e g r e ei sm u c hs t r o n g e ra n dm i x i n ge f f e c ti sm u c h b e t t e ri n t h i sr e g i o n t h et u r b u l e n tp e r f o r m a n c eo ff l a tb l a d ei m p e l l e ri so b v i o u s l y b e t t e rt h a nt h a to f4 5 。a n g l ep i t c h e di m p e l l e r , a n di t ss h o w e dt h a tt h es h e a r i n g , b r e a k i n ga n ds c a t t e r i n ge f f e c to ff l a tb l a d ei m p e l l e ri sb e t t e rt h a nt h a to f4 5 0a n g l e p i t c h e di m p e l l e r 4 i ns t i r r e dt a n k , t h es h e a r i n ge f f e c tm a i n l yg e n e r a t e si l e a l t h ei m p e l l e r , a n di t d e p e n d so ns h e a r i n ge f f e c tt os c a t t e ra n dm i xm a t e r i a lt h o r o u g h l yi nt h er e g i o na r o u n d i m p e l l e r i ng e n e r a lt h es h e a r i n gr a t eo ff l a tb l a d ei m p e l l e ri sm u c hl a r g e rt h a nt h a to f 4 5 。a n g l ep i t c h e di m p e l l e r , e s p e c i a l l yi nt h ei m p e l l e re d g er e g i o n 5 a l t h o u g h4 5 0a n g l ep i t c h e di m p e l l e rh a v el e s ss h e a r i n gc a p a b i l i t y , i tc a ns a v e a l m o s t4 0 p o w e rc o n s u m p t i o nt h a nf l a tb l a d ei m p e l l e r , a n do b v i o u s l yi ti sb e t t e rt h a n f l a tb l a d ei m p e l l e ri ne c o n o m y 一 6 t h ef l a tb l a d ei m p e l l e ra n d4 5 0a n g l ep i t c h e di m p e l l e rh a v ed i f f e r e n tm i x i n g o p e r a t i n gc h a r a c t e r s ：f l a tb l a d ei m p e l l e rc h i e f l yg e n e r a t e sr a d i a lf l o w , h i g hs h e a r i n g e f f e c t , h i g ht u r b u l e n td e g r e e , i ss u i t a b l ef o rb r e a k i n ga n ds c a t t e r i n gm a t e r i a li ns t i r r e d t a n k , a n db e l o n g st os h e a r i n g t y p ei m p e l l e r ；, 4 5 。a n g l ep i t c h e di m p e l l e rc h i e f l y g e n e r a t e s a x i s f l o w , s t r o n ge n t i r e l yc i r c u l a t i n gc a p a b i l i t y , r e l a t i v el o wp o w e r c o n s u m p t i o n , i ss u i t a b l ef o rh o m o g e n i z i n ga n dm i x i n gm a t e r i a li ns t i r r e dt a n k ，a n d b e l o n g st oc i r c u l a t i n gt y p ei m p e l l e r i ts h o u l dc h o o s ed i f f e r e n tt y p e so fi m p e l l e rf o r d i f f e r e n tm i x i n gr e q u i r e m e n t sa n do p e r a t i n gc o n d i t i o n s i fr e q u i r es t r o n g e rs h e a r i n g e f f e c t , s h e a r i n gt y p ei m p e l l e rs h o u l db ec h o s e ；i fs h e a f i n ge f f e c ti sn o tr e q u i r e ds o m u c h , a n do n l yt h er e q u i r e m e n to fm a t e r i a le n t i r e l ym i x i n g , c i r c u l a t i n gt y p ei m p e l l e r s h o u l db ec h o s e , u n d e rs a v i n gp o w e rc o n s u m p t i o n 7 i tc a nb em o r ee c o n o m i c a l ，f a s ta n dr e l i a b l et od e s i g n , o p t i m i z ea n ds e l e c tf o r s t i r r e dr e a c t o ru s i n gf l u e n ts i m u l a t i o ns o f t w a r ec o m b i n i n gw i t hp i vm e a s u r e m e n t s y s t e m k e yw o r d s ：s t i r r e dr e a c t o r ；c f d ；d p i v ；m u l t i r e f e r e n c ef r a m em e t h o d i v 郑州大学硕士学位论文 引言 搅拌反应器是一种在过程工业中广泛应用的反应器类型。搅拌过程是通过桨 叶的旋转向搅拌槽内输入机械能，从而使流体获得适宜的流场形态，并在流场内 进行动量、热量和质量的传递或者进行化学反应的过程，所以准确获取反应器内 的流动信息对于优化设计、开发新型搅拌反应器是十分重要的。 计算流体力学( c f d ) 方法是比较先进的流场信息分析技术，最早把c f d 技 术系统地引入搅拌槽内流场研究的是h e r v e y 。此后，由于数字粒子成像测速( d p i v ) 方法具有无扰、瞬态、全场测量的优势，各国学者越来越多地使用d p i v 技术来研 究搅拌槽内的流动形态。同时，c f d 与d p i v 相结合的研究方式也越来越受到重 视，d p i v 的测量结果一方面可以为c f d 模拟提供大量基础数据，同时也可以为 c f d 模拟结果的准确性提供验证参考。 但是目前搅拌反应器流场的研究还有许多局限性，一方面研究的搅拌桨叶比 较单一，另一方面研究的参数仅仅偏重于某些方面，总体来讲缺乏对搅拌桨特性 的综合分析和研究。本文使用c f d 与d p i v 两种技术相结合的方式，对两种特性 不同的搅拌桨叶所形成的流场进行比较全面的考察和研究，通过对流场特性、动 力性能等参数的对比分析，来验证数值模拟方法的可行性和可靠性，并且为新型 搅拌反应器的设计、优化和选型提供参考依据。 郑州大学硕士学位论文 1 1 搅拌反应器概述 第1 章绪论 搅拌反应器是一种在化工、生物、制药等过程工业中常见的反应器类型，其 应用范围很广，尤其是在化学工业中，很多的化工生产都离不开搅拌操作。化学 工艺过程的许多化学变化，都是以参加反应物质的充分混合为前提的。对于加热、 冷却、液体萃取以及吸收等物理变化过程，也往往要采取搅拌操作才能得到较好 的效果。例如在合成橡胶、合成纤维、合成塑料这三大合成材料的生产中，搅拌 反应器的数量占各种反应器总数的9 0 ，此外，染料、医药、农药和油漆等行业 中搅拌反应器也比比皆是【”。 搅拌反应器的应用之所以这样广泛，是因为其既可以应用于均相反应，又可 以应用于多相反应，既可以间歇操作，又可以连续操作，而且搅拌反应器结构简 单，加工方便，传质效率高，温度分布均匀，搅拌桨结构多样，操作条件( 如温 度、浓度、停留时间等) 可控范围宽，操作灵活性大，设计技术成熟，能够适应 多样化的生产。另外，对牛顿型和非牛顿型的流体都可采用搅拌操作，所以搅拌 反应器在这些领域内始终占着主导地位。 搅拌反应器设备由搅拌装置、轴封和搅拌槽三部分组成，其构成形式如下： 典型的搅拌反应器总体结构如图1 - 1 所示，传动装置把电动机的能量传递给桨 叶，桨叶主要提供搅拌作用，槽体用于装载反应物料，夹套用于加热或传热，挡 板用于增强槽内物料的混合程度，支座用于支撑反应器。 2 郑州大学硕士学位论文 图1 - 1 搅拌反应器的总体结构 1 桨叶2 槽体3 夹套4 搅拌轴5 i 压出管 6 - 支座纠当板8 - 人孔9 - 轴封1 0 传动装置 搅拌过程是通过桨叶的旋转向搅拌槽内输入机械能，从而使流体获得适宜的 流场形态，并在流场内进行动量、热量和质量的传递或者进行化学反应的过程。 因此，流场和输入能量这两个问题是搅拌过程所研究的主要课题，即不同的操作 目的需要什么样的流场，能供给多大的能量，而各种型式的搅拌桨叶在不同的操 作条件下又能提供什么样的流场，能供给多大的能量。所以流场的信息对于优化 设计、开发新型搅拌反应器是十分重要的。 1 2 搅拌桨的分类及特性 1 2 1 搅拌桨的分类 许多化工生产过程中经常有液液、气液、固一液以及气液固多相体系的混合 3 郑州大学硕士学位论文 问题，实际上搅拌桨兼有混合、搅动、悬浮、分散等多种功能。为满足这些要求， 搅拌反应器应具有下述作用： ( 1 ) 使物料混合均匀； ( 2 ) 使气体在液相中很好地分散； ( 3 ) 使固体粒子在液相中均匀地悬浮； ( 4 ) 使不相溶的另一液相均匀悬浮或充分乳化； ( 5 ) 强化相间的传质； ( 6 ) 强化传热。 为满足各种生产过程对搅拌的不同要求，搅拌桨应具有一定的几何和技术特 性，如桨叶的型式、尺寸、转速、功耗等。搅拌桨的分类标准很多： ( 1 ) 按流体流动形态，搅拌桨可分为轴向流搅拌桨、径向流搅拌桨。推进式、 框式、锚式、螺带式是轴向流搅拌桨，桨式、开启涡轮式、圆盘涡轮式、布鲁马 金式、锯齿圆盘式是径向流搅拌桨； ( 2 ) 按搅拌桨结构可分为平叶、折叶和螺旋面叶搅拌桨。桨式、涡轮式、框 式、锚式的桨叶都有平叶和折叶两种结构，推进式、螺杆式、螺带式的桨叶为螺 旋面叶； ( 3 ) 按搅拌的用途可分为低粘流体用和高粘流体用搅拌桨。用于低粘流体的 搅拌桨有推进式、桨式、开启涡轮式、圆盘涡轮式、布鲁马金式、三叶后弯式、 m i g 、i n t e r m i g 等，用于高粘流体的搅拌桨有锚式、框式、锯齿圆盘式、螺旋 桨式、螺带式等。 1 2 2 典型搅拌桨的特性 1 齿片式桨叶 在所有桨叶中齿片式桨叶( 如图1 2 所示) 使用的转速最高， 通常其转速为5 0 0 3 0 0 0r m i n 。用齿片式桨叶时，一般不安装挡 板，特别是处理相对密度小的、浮于液面的粉末时，更以无挡板 为好。有时对于低粘度液体，为防止旋涡过高而使液体溢出槽外， 或防止液体中卷入气体，亦可使用挡板。 齿片式桨叶的应用领域有：液液分散体系，如树脂的混合； 固液体系，如使高岭土、粘土、氯化钙和颜料等达到高度分散。 4 图1 - 2 齿片式 郑州大学硕士学位论文 2 推进式桨叶 推进式桨叶( 如图1 3 所示) 在旋转时使液体向前 以轴向流排出，使之在槽内形成循环。为防止水平回转 流，可在槽内安装挡板，也可将搅拌轴偏心或倾斜安装， 若把推进式桨叶与导流筒配合，则能得到规整的轴向 流。 推进式桨叶的特征是排出液体的能力强，而不适用 于要求较高剪切力的各种分散和反应等操作。它主要用 图l - 3 推进式 于液液体系的混合、温度均一化、在低浓度固液体系中防止大容量的搅拌。 3 涡轮式桨叶 涡轮式桨叶( 如图1 4 所示) 又称透平式桨叶， 是应用最广的一种。能有 效地完成几乎所有的搅拌 操作，并能处理粘度范围 很广的流体。涡轮式桨叶 可分为开式和圆盘式两种， 出嘉出 图1 4 涡轮式 开式有平直叶、斜叶和弯叶等，圆盘式有圆盘平直叶、圆盘斜叶、圆盘弯叶等。 涡轮式桨叶有较大的剪切力，可使流体微团分散得很细，适用于低粘度到中 等粘度流体的混合、液液分散、固液悬浮，以及促进良好的传热、传质和化学反 应。 4 桨式桨叶 桨式桨叶( 如图1 5 所示) 通常仅有两枚叶片，是最简单的一 种。与涡轮式桨叶一样，根据叶片的垂直或倾斜安装可分成径向 流型和轴向流型。桨式桨叶主要用于排出流较为重要的场合，由 于在同样的排量下，轴向流桨叶的功耗比径向流低，故轴向流桨 叶使用较多。由于结构简单，即使叶径大，造价也不高，故往往 用于大叶径、低转速的场合。 图l - s 桨式 桨式桨叶主要用途为：在液液体系用于防止分离和温度均一化，在固液体系， 多用于防止固体沉降。然而，桨式桨叶不用于气液分散那样保持气体和以细微化为 5 郑州大学硕士学位论文 使用螺带式、螺杆式桨叶的场合有：制造合成橡胶、合成树脂的聚合反应等， 对液体和粉体形成的湿泥状液体也能使用。对于膏状物、粘性低的淤浆液和粘性 低的易剪断物，螺带式桨叶不宜使用。一般认为，在雷诺数高于1 0 0 时，使用螺 带式桨叶是低效的。 7 m i g 式和i n t e r m i g 式桨叶 6 郑州大学项士学位论文 m i g 式和i n t e r m i g 式桨叶( 如图 1 8 所示) 在欧洲使用较为广泛。m i g 的意思是多段逆流搅拌器，i n t e r m i g 是其改进型。这两种桨叶的设计原理是 相同的，当桨叶旋转时，叶片的端部和 根部分别把液体向相反的方向推进，促 进液体形成轴向循环。 圭由 图1 8m i g 式和i n t e r m i g 式 这两种桨叶适用于低、中粘度液体，特别适用于过渡流状态下操作，其混合 效率远高于内外螺带桨叶。然而当粘度很高，桨叶在层流状态下操作时，在相邻 的桨叶之间有不良混合区，因此，m i g 式和i n t e r m i g 式桨叶不宜在雷诺数低于 1 0 0 的情况下操作。m i g 式和i n t e r m i g 式桨叶也非常适用于低、中粘度液体的 固液悬浮、液一液分散、气液分散和传热。 1 3 搅拌反应器流场的形态及特点 流体在搅拌槽内进行着复杂的三维流动，可用圆柱坐标系将这种流动分解成 径向流、轴向流和切向流。因此，常用搅拌槽纵向剖面上的径向和轴向速度分布 以及横截面上的径向和切向速度分布来定性、定量地描述流场。有时，仅需定性 地获得槽内流体的流动形态，即只须知道槽内流体单元的运动轨迹。搅拌桨叶的 功能是提供过程所需要的能量和适宜的流动形态。桨叶旋转时把机械能传递给流 体，在桨叶附近形成高度湍动的充分混合区，并产生一股高速射流推动流体在槽 内循环流动。 由于搅拌桨叶对流体的作用主要体现在对流体的剪切和促使流体在槽内进行 循环流动两个方面，因此准确的流场信息对于优化设计、开发新型搅拌反应器是 十分重要的。搅拌槽内的流动形态取决于搅拌桨叶的型式、搅拌槽和内部构件的 几何特征，以及流体的性质、桨叶转速等因素。 1 3 1 径向流 流体的流动方向垂直于搅拌轴，沿径向流动，碰到搅拌槽壁面分成两股流体 分别向上、向下流动，再回到叶端，不穿过叶片，形成上、下两个循环流，如图 郑州大学硕士学位论文 1 - 9 所示。径向流的剪切作用大，造成的局部涡流运动剧烈，适用于需要较高剪 切作用的搅拌过程，如气液分散、液液分散和固体溶解。 图i 1 0 轴向流 1 3 3 切向流 无挡板的搅拌槽内，流体绕轴作旋转运动，流速高时流体在离心力的作用下 涌向槽壁，中心部分液面下降，表面形成一个大旋涡，如图1 1 1 所示。此时流体 从桨叶周围切向卷吸至桨叶区的流量很小，几乎不产生轴向作用，混合效果很差。 郑州大学硕士学位论文 图l l l 切向流 上述三种流动形态通常同时存在，其中径向流和轴向流对混合起主要作用，而 切向流应加以限制，如安装挡板可削弱切向流，增强径向流和轴向流。 在湍流状态下，推进式桨叶除了产生切向流动外，还产生大量轴向流动，是 典型的轴向流桨叶；齿片式、桨式、弯叶涡轮式和直叶圆盘式涡轮在无挡板的搅 拌槽中除了使流体产生与桨叶一起回转的切向流外，还由于叶轮的离心力使流体 沿桨叶向槽壁射出，形成强有力的径向流，故这些桨叶是典型的径向流桨叶。与 弯叶涡轮和直叶圆盘式涡轮相比，折叶涡轮的轴向流成分较多，故常用于需要较 大轴向流的场合。螺带式和螺杆式桨叶主要使高粘度物料生成轴向流动，锚式叶 轮主要使流体生成切向流动。 1 4 搅拌反应器流场与动力性能的模拟研究及进展 1 4 1 计算流体力学( c f d ) 方法 计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) 是一个涉及多种领 域的交叉学科，是在经典流体力学、数值计算方法和计算机技术的基础上建立起 来的方法。c f d 可以看作是在流动基本方程质量守恒方程、动量守恒方程、 能量守恒方程罐! 制下对流动的数值模拟。它的基本思想可以归结为：把原来 在时问域及空间域上连续的的物理场，如速度场、温度场和压力场，用一系列有 限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离 散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值。 9 郑州大学硕士学位论文 c f d 求解过程的基本思路和工作步骤如图1 1 2 所示。 经过数十年的发展，c f d 出现了多 种数值解法，这些方法的主要区别在于 对控制方程的离散方式的不同。根据离 散原理的不同，c f d 大体上分为三个分 支【2 1 ： ( 1 ) 有限差分法( f d m ) ：它将求 解域划分为差分网格，用有限个网格节 点代替连续的求解域，然后将偏微分方 程的导数用差商代替，推导出含有离散 点上有限个未知数的差分方程组。 ( 2 ) 有限元法( f e m ) ：它吸收了 有限差分法中离散处理的内核，又采用 了变分计算中选择逼近函数对区域进行 积分的合理方法。 ( 3 ) 有限体积法( f v m ) ：它将计 算区域划分为一系列控制体积，将待解 建立控制方程 确立初始条件及边界条件 划分计算网格，生成计算节点 建立离散方程 离散初始条件和边界条件 给定求解控制参数 求解离散方程 解收敛否 是y 显示和输出计算结果 否 微分方程对每一个控制体积积分得出离 图1 1 2c f i 工作流程 散方程。1 9 8 0 年，p a t a n k a r 在其专著t 3 l 中对有限体积法作了全面的阐述，此后该方 法得到了广泛应用，是目前c f d 中应用最广泛的一种方法。 为了方便用户使用复杂的c f d 求解过程处理不同类型的工程问题，商业软件 往往将c f d 过程集成，通过一定的接口，让用户快速地输入问题的有关参数，通 过可视化窗口和用户界面来求解问题。所有的商用c f d 软件都包括三个模块：前 处理( p r e p r o c e s s i n g ) 模块、求解( s o l v e r i n g ) 模块以及后处理( p o s t p r o c e s s i n g ) 模块。前处理模块主要负责建立描述问题的几何模型，输入各种必需的参数，最 后由软件自动生成网络；核心求解模块将根据前处理过程所生成的模型网格、所 选的数值算法、边界条件和初始条件等进行迭代求解，并输出计算结果；后处理 模块通常是对数据结果，如速度场、温度场、压力场等，进行图形显示、数据描 述以及动画处理。 i o 郑州大学硕士学位论文 1 4 2c f d 模拟软件简介 目前主流的c f d 商用软件有：p h o e n i c s 、c f x 、s t a r c d 、f i d i p 、f l u e n t 。 这些软件功能比较全面、适用性强，几乎可以求解工程界的各种复杂问题；具有 比较易用的前后处理系统和与其它c a d 和c a e 软件的接口能力，还可以让用户 扩展自己的开发模块；具有比较完备的容错机制和操作界面，稳定性高；可在多 种计算机、多种操作系统，以及并行环境下运行。 f l u e n t 软件是美国a n s y s 公司旗下的专门用来进行流场分析、流场计算、 流场预测的商用软件。它具有丰富的物理模型、先进的数值算法以及强大的前后 处理功能，在航空航天、汽车设计、石油化工、流体机械、涡轮发动机等方面都 有着广泛的应用。 f l u e n t 软件拥有专用的g a m b i t 软件进行网格划分，可以使用结构化或非 结构化网格，包括三角形、四边形、四面体、六面体、金字塔形网格来处理具有 复杂区域的流动，甚至可以使用混合型网格。并且可以读入多种c a d 软件的几何 模型和多种c a e 软件的网格模型。 f l u e n t 软件基于有限体积法，提供了非耦合隐式、耦合隐式、耦合显式三 种数值解法，可以处理二维和三维流动问题、定常和非定常流动问题、可压缩和 不可压缩流动问题、层流和湍流流动问题、牛顿和非牛顿流体问题、导热和对流 及辐射换热问题、多种坐标系下的流动问题、多相流问题、燃烧问题、化学组分 混合和反应问题、多孔介质问题等。 f l u e n t 软件包含了八种工程上常用的粘度处理模型：无粘模型、层流模型、 单方程s a 模型、双方程k 模型( s t a n d a r d 、r n g 、r e a l i z a b l e 三种子模型) 、双 方程k 模型( s t a n d a r d 、s s t 两种子模型) 、雷诺应力模型( r s m ) 、分离涡模拟 ( d e s ) 、大涡模拟( l e s ) 。 f l u e n t 软件具有强大的后处理能力，能够完成c f d 计算所要求的数据处理 功能，包括速度矢量图、等值线图、等值面图、流动轨迹图、散点图，生成流场 变化动画、报告流量和力等，并具有积分功能，可以求解得到各种用户需要的参 数，并且对于参数和计算中的残差可以随时进行动态跟踪显示。 f l u e n t 软件除了提供交互式的用户界面，还允许用户通过写菜单宏及菜单 函数自定义及优化界面，并允许用户使用基于c 语言的用户自定义函数( u d f ) 郑州大学硕士学位论文 功能对软件进行扩展。 1 4 3 搅拌反应器的模拟研究及进展 1 4 3 1 模拟研究情况 对搅拌槽内流场的数值模拟始于1 9 7 8 年【4 】，很多学者采用n a v i e r - s t o k e s ( n s ) 方程的流函数涡量方程形式，并用差分法求解近壁式搅拌桨叶( 如锚式和大平桨 式) 的二维流场【5 矗7 1 。 此后，h e r v e y t 8 1 系统地把c f d 方法引入到搅拌槽内流场的研究中，这领域 迅速活跃起来，但其研究的桨型都局限于传统的直叶涡轮( p l a c c k 9 、r a n a d d l 川) 和斜四叶涡轮( f o r e m a 1 l 】，r a l l a d e 【1 2 1 ) ，缺乏对些新型搅拌桨的研究。 后来国内学者也开始在这一领域有所建树，并且把c f d 模拟方法应用于各种 不同的桨型( 侯拴荆1 3 14 1 、周国15 1 、张国娟) 、多层桨( 马青山【1 7 】、茁一【1 8 1 ) 、 内外组合桨( 孙会i ”2 0 1 ) 中，为搅拌反应器流场模拟的进步做出了重要的贡献。 但是目前他们的研究还有许多局限性，一方面研究的搅拌桨叶比较单一，另一方 面研究的参数仅仅偏重于某些方面，缺乏对搅拌桨特性的综合分析和研究。 1 4 3 2 模拟研究进展 随着大型通用商业c f d 软件的日趋成熟，越来越多的学者开始关注使用c f d 方法研究搅拌反应器的内部流动问题，c f d 的研究进展主要体现在： 1 从结构化网格向非结构化网格的转移 在c f d 研究中，前处理过程划分的网格质量直接影响后续的解算过程，质量 好的网格容易收敛。同时这一过程也花费了许多计算周期。但是对于有些复杂的 化学反应器的几何结构，还有一些复杂的流动方式，结构化网格就远远不能满足 用户的需要了。 后来c f d 使用者开始重视研究非结构化网格，这种网格的基本思想基于如下 假设：四面体是三维空问最简单的形状，任何空间区域都可以被四面体单元所填 满，即任何空间区域都可以被以四面体为单元的网格所划分。由于非结构网格舍 去了结构化网格节点的结构性限制，易于控制网格单元的大小、形状及网格点的 位置，因此比结构化网格具有更大的灵活性，对复杂外形的适应能力更强。 1 9 9 8 年n a u d e t 2 1 1 使用f l u e n t 软件提供的非结构化网格计算了一种轴向流式 搅拌桨的三维流场，并将计算结果和实验数据进行了比较。计算采用了多重参考 1 2 郑州大学硕士学位论文 系法( m r f ) ，由于m r f 法是稳态计算，计算中考虑了三种不同的桨叶和挡板的 相对位置，对三个计算结果取平均值后再与实验数据进行比较。 2 直接数值模拟和大涡模拟 对湍流问题最真实的描述是直接求解n s 方程，即直接数值模拟( d n s ) 。但 是受到计算机能力的限制，现在还只能计算低雷诺数和简单几何条件的问题，解 决工程中的实际问题还有距离。现在工业研究中应用最广泛的仍然是求解雷诺时 均方程的雷诺平均法( r a n s ) ，在众多湍流模型中，k - 模型的应用是最广泛的。 但k - 模型本身的缺陷也使得其计算结果有许多不尽合理之处，比如对桨叶附近湍 流动能的预报偏低，对尾涡发展的预报不甚准确等。因此许多学者开始尝试其它 模型用于搅拌槽内流场的研究。其中，大涡模拟是研究的一个自 f 沿领域。 大涡模拟的基本思想是包括脉动运动在内的湍流瞬时运动通过某种滤波方法 分解成大尺度运动和小尺度运动两部分。大尺度运动通过数值求解运动微分方程 直接计算出来；小尺度运动对大尺度运动的影响将在运动方程中表现为类似雷诺 应力一样的应力项，称之为亚格子雷诺应力。在一定的意义上，大涡模拟是介于 直接数模拟与一般模式理论之间的折中方法。 2 0 0 0 年b a k l ( e r 【2 2 】使用f l u e n t 软件提供的大涡模拟法初步计算了直叶涡轮 ( r t ) 和斜叶涡轮( p b t ) 搅拌桨的流场，桨叶区的流动采用滑移网格法( s g ) 进行处理。计算结果与m y e r s l 2 3 1 的p i v 实验结果进行了比较，在不同时刻f b t 的 流场呈现不同的形态，有时对称，有时非对称，这种形态的振荡频率比桨叶旋转 的频率低得多。轴向速度的脉动频率在桨叶附近非常高，而在液面和槽底区域则 要低得多。对r t 流场中尾涡的预报与实验结果一致。 1 5 搅拌反应器流场与动力性能的实验研究及进展 1 5 1 数字粒子图像测速技术( d h v ) 原理 粒子图像测速技术( p a r t i c l ei m a g ev e l o c i m v t r y ，简称p i v ) 是实验流体力学中 的一个非常重要的组成部分，是在2 0 世纪7 0 年代末由固体力学散斑法发展起来 的一种技术2 钔。它突破了传统的单点测量的限制，可瞬时、无接触地测量流场中 一个截面上的速度分布，且具有较高的测量精度。 郑州大学项士学位论文 p i v 能够同时记录下整个流场速度场的信息，描述流动的复杂形态。它可以在 一个流场剖面上测得一万多个点的瞬时速度，精度在1 以上。作为一种瞬态流动 测量仪器，p i v 的应用领域十分广泛，技术发展十分成熟，已经迅速成为测速的标 准方法，现在成套的商业产品主要由美国t s i 公司、a e r o m e t r i c s 公司和丹麦d a n t e c 公司提供。由于p w 查问系统及其图像处理系统较为复杂，仪器调节、胶片湿处 理以及数据处理等往往要花费很多时间，8 0 年代后数字粒子图像测速技术( d p i v ) 随着计算机技术、数字图像处理技术、光纤技术和激光技术等多种高新技术的发 展而发展起来【2 5 1 。它使用数字方法记录视频图像来代替摄影胶片，所有的分析都 用计算机来进行，代替了复杂的光学系统。 p w 技术基本成像原理如图1 一1 3 所示，在流场中布撒示踪粒子，并用脉冲激 光片光源入射到所测流场区域中，通过连续两次或多次曝光，粒子的图像被记录 在c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 相机上，采用光学杨氏条纹法，自相关算法或者 互相关算法，逐点处理c c d 相机记录的图像，获得流场速度分布【2 6 1 。本质上讲， p w 技术测出的是流场中粒子的速度。 暴 图l 1 3p i v 成像原理 p i v 技术具有以前其它流场测量技术不具备的技术优势和特点： ( 1 ) p w 是全流场测量，并且得到的是瞬间流场数据，而多普勒激光测速技 术属于单点测量； ( 2 ) p i v 不会干扰流场，而热线、热膜等测速技术对流场都有一定的干扰； ( 3 ) p w 容易求得流场的其它物理量，由于得到的是全流场的速度场，运用 流体运动方程很容易提取其它物理量信息，如压力场、涡量场等。 1 4 郑州大学项士学位论文 1 5 2d p i v 实验设备简介 1 光源系统 d p i v 需要采用脉冲激光片光源，常用的光源有： ( 1 ) 双脉冲红宝石激光器 双脉冲红宝石激光器波长为6 9 9n m ，每一个脉冲脉宽为2 5n s ，脉冲能量l l o j ，脉冲问隔在l “p lh i s 之间可调。脉冲光能量大，但再次充电时间长，不能连 续产生脉冲光。 ( 2 ) n d ：y a g 激光器 脉冲铱铷石榴石激光器波长为5 3 2a n l ，每个脉冲能量为0 2j ，脉冲宽度1 5n s 。 可发射连续脉冲光，频率为1 0 - - 1 5h z 。一般在d p i v 系统中采用两台y a g 激光器， 用外同步装置分别触发激光器以产生脉冲，用光学系统将这两路光脉冲合并到一 起。脉冲间隔可在l 陋- 1 0 0m s 之间