（化工过程机械专业论文）圆盘涡轮搅拌釜内流场及混合性能的数值模拟.pdf

硕士学位论文 摘要 机械搅拌设备在化工过程及相关工业中占有很重要的地位，可用于物料混 合、气体分散、固相悬浮以及促进传热、传质、反应等过程。搅拌器是搅拌设 备的关键部件，其安装位置、转速等都将引起内部流场的变化。目前，搅拌器 的设计很大程度上依赖于实验和经验，对内部流场缺乏认识。因此对搅拌釜内 流场进行研究具有重要意义。 本文利用f l u e n t6 3 软件，对圆盘涡轮搅拌釜流场及混合过程进行数值模 拟，分析了搅拌桨安装位置、转速对宏观流场的影响；讨论了加料点及监测点 位置对混合时间的影响，得出最佳加料点及监测点位置；比较不同流型下的混 合过程，得到整体均匀混合下的适宜流型。主要工作和结论如下： 1 ) 利用多重参考系法对圆盘涡轮搅拌釜流场进行数值模拟，结果表明：通 过改变搅拌桨叶高度可以产生平行流、合并流和分散流三种流型，三种流型的 速度极值均出现在桨叶附近，但速度分布情况明显不同，平行流功耗最大，分 散流次之，合并流最小；功率的模拟预测值与理论推导结果有很好的一致性； 湍流状态下，改变转速对流型结构没有影响。 2 ) 在稳定流场的基础上，利用滑移网格法，对圆盘涡轮搅拌釜内的混合过 程进行数值模拟，计算得到釜内的瞬时浓度场。结果表明：釜内的混合过程主 要由流场的流体流动控制，不同流型下的混合过程明显不同；混合速度快慢与 加料点位置有关，在桨叶区加料可有效缩短混合时间；搅拌釜内的混合状况呈 现不均匀性，桨叶区混合效率较高，搅拌釜底部混合时间最长。 3 ) 分析三种流型、转速对混合时间的影响，模拟得到三种流型下的混合时 间，为生产中选择合理的搅拌时间提供依据，避免产生混合不足和过度混合的 情况。结果表明：当上下桨的流动能很好的连接起来时，有助于介质的快速混 合，而出现分区时，混合过程较慢；在双对数坐标系下，三种流型的混合时间 与单位体积功率呈线性关系。 本文方法可用于搅拌器的优化设计，对优选桨型有实用价值。 关键词圆盘涡轮流场混合过程滑移网格法数值模拟 硕士学位论文 a b s t r a c t m e c h a n i c a lm i x i n ge q u i p m e n ti si m p o r t a n ti nc h e m i c a li n d u s t r y , i ti s w i d e l y u s e dt or e a l i z et h em a t e r i a lm i x t u r e ，g a sd i s p e r s i o na n ds o l i dp h a s es u s p e n s i o ns oa st o p r o m o t et oh e a tt r a n s f e r , m a s st r a n s f e ra n dr e a c t i o np r o c e s s a g i t a t o ri st h ek e y c o m p o n e n to fm e c h a n i c a lm i x i n ge q u i p m e n t ，i t si n s t a l l a t i o np o s i t i o na n dr o t a r ys p e e d w i l lc a u s et h ec h a n g eo fi n t e r n a lf l o wf i e l d n o w a d a y st h ed e s i g no fa g i t a t o rm o s t l y d e p e n d so ne x p e r i m e n t sa n de x p e r i e n c e ，t h eu n d e r s t a n d i n go fi n t e m a lf l o wf i e l di s l a c k r e s e a r c ho fi n t e m a lf l o wf i e l di so fg r e a ts i g n i f i c a n c ei ns t i r r e dt a n k t h ef l o wf i e l da n dm i x i n gp r o c e s so fs t i r r e dt a n kw i t hd i s c t u r b i n ew a s n u m e r i c a l l ys i m u l a t e du s i n gf l u e n t6 3s o f t w a r ei ns t i r r e dt a n kw i t hd i s ct u r b i n e t h e e f f e c to fi n s t a l l a t i o np o s i t i o no fi m p e l l e r sa n dr o t a r ys p e e do nt h ef l u i df l o ww a s a n a l y s e d t h ee f f e c to ff e e d i n ga n dd e t e c t i n gp o s i t i o no nm i x i n gt i m ew a sa l s o d i s c u s s e d ，t h eo p t i m u mf e e d i n ga n dd e t e c t i n gp o s i t i o nw a so b t a i n e d c o m p a r e dt h e m i x i n gp r o c e s si nd i f f e r e n tf l o wp a t t e r n ，t h es u i t a b l ef l o wp a t t e r ni nu n i f o r mm i x i n g w a sg a i n e d t h em a j o rw o r ka n dc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： 1 ) t h em u l t i - r e f e r e n c ef r a m e ( m r f ) m e t h o dw a su s e di nt h en u m e r i c a l s i m u l a t i o no ff l o wf i e l di ns t i r r e dt a n kw i t hd i s ct u r b i n e t h er e s u l t si n d i c a t et h a t p a r a l l e lf l o w , m e r g i n gf l o wa n dd i v e r g i n gf l o wc a nb eo b t a i n e db yc h a n g i n gt h e p o s i t i o no fi m p e l l e r s ，t h ee x t r e m ev e l o c i t yo ft h r e ef l o wp a t t e r na l la p p e a r sn e a r i m p e l l e r s ，b u tt h ev e l o c i t yd i s t r i b u t i o ni so b v i o u s l yd i f f e r e n t f o rp o w e rc o n s u m p t i o n ， p a r a l l e lf l o wi st h el a r g e s t ，d i v e r g i n gf l o wi sn e x t ，m e r g i n gf l o wi st h em i n i m u n ，t h e s i m u l a t i o nr e s u l t sa r ec o i n c i d ew i t ht h e o r e t i c a ld e r i v a t i o n i ta l s os h o w st h a tr o t a r y s p e e dh a sn oi n f l u e n c eo nt h ef l o wp a t t e r n 2 ) o nt h eb a s i so fs t a b i l i t yf l o wf i e l d ，t h es l i d i n gm e s h s ( s g ) m e t h o dw a su s e di n t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fm i x i n gp r o c e s si ns t i r r e dt a n kw i t hd i s ct u r b i n e ，t h e i n s t a n t a n e o u sc o n c e n t r a t i o nf i e l do ft a n kw a so b t a i n e d t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h e m i x i n gp r o c e s si sd o m i n a t e db yf l o wf i e l di nt h es t i r r e dt a n k t h ef e e d i n gp o s i t i o nh a s i m p o r t a n te f f e c to nm i x i n gt i m e ，t h em i x i n gt i m ei sm u c hs h o r t e rw h e nt h em a t e r i a l s f e dn e a ri m p e l l e r s i ta l s os h o w st h a tt h em i x i n gs i t u a t i o no f t a n ka p p e a r s n o u n i f o r m i t y , m i x i n ge f f i c i e n c yi sh i g l ln e a ri m p e l l e rw h i l et h em i x i n gt i m ei s t h e l o n g e s to nt h eb o t t o m 3 ) t h ee f f e c to fd i f f e r e n tf l o wp a t t e r na n dr o t a r ys p e e do nm i x i n gt i m ew e r e a n a l y s e d m i x i n gt i m eo ft h r e ef l o wp a t t e r nw a sg e t ，i tp r o v i d e st h eb a s i sf o rt h e c h o i c eo fm i x i n gt i m et oa v o i du n d e rm i x i n ga n do v e rm i x i n g t h er e s u l t ss h o wt h a t t h em e d i ac a nm i xr a p i d l yw h e nt w of i e l df l o wc a nb ec o n n e c t e d ，b u tm i x i n gp r o c e s s i ss l o ww h e np a r t i t i o n i n ga p p e a r s t h em i x i n gt i m eo ft h r e ef l o wp a t t e r n si si nal i n e a r r e l a t i o n s h i pw i t hu n i tv o l u m ep o w e ri nb i - l o g a r i t h mc o o r d i n a t e s t h es t u d yo ft h e s i sp r o v i d e sr e f e r e n c ef o rt h eo p t i m u nd e s i g no fa g i t a t o r , w h i c h h a sp r a c t i c a lv a l u et oo p t i m i z a t i o no fi m p e l l e rt y p e s k e y w o r d sd i s ct u r b i n e ；f l o wf i e l d ；m i x i n gp r o c e s s ；s l i d i n gm e s h s ； n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 硕士学位论文 目录 摘要一i a b s t r a c t i 第1 章绪论1 1 1引言1 1 2 机械搅拌设备2 1 2 1 搅拌设备结构2 1 2 2 搅拌器的作用3 1 3 搅拌釜内流场的实验研究4 1 4 搅拌釜内流场的数值模拟7 1 4 1c f d 简介7 1 4 2搅拌釜内流场的c f d 研究7 1 5 搅拌釜内混合特性的研究11 1 5 1 混合过程11 1 5 2 混合时间1 2 1 6 本文研究的主要内容1 3 第2 章圆盘涡轮搅拌釜内流场的数值模拟15 2 1引言15 2 2 计算流体力学方法15 2 1 1计算流体力学概述15 2 1 2c f d 基本过程1 6 2 3c f d 力学模型1 7 2 3 1 控制方程1 8 2 3 2 湍流模型1 9 2 4 f l u e n t 简介2 0 2 5 搅拌釜结构2 2 目录 2 6 模型求解2 2 2 6 1基本假设2 3 2 6 2 网格划分2 3 2 6 3 边界条件2 4 2 6 4 求解设置2 4 2 7 模拟结果与分析2 6 2 7 1 不同流型的研究2 6 2 7 2 时均速度分布2 8 2 7 3 功率准数3 0 2 7 4 排量系数3l 2 7 5 转速对流场结构的关系3 2 2 8 本章小结3 3 第3 章圆盘涡轮搅拌釜内混合过程的数值模拟3 4 3 1引言3 4 3 2 模型求解3 4 3 2 1传质方程3 5 3 2 2 求解设置3 5 3 3 模拟结果与讨论3 7 3 3 1加料点与监测点设置3 7 3 3 2 流动场与浓度场特性3 8 3 3 3 加料点位置对混合时间的影响4 0 3 3 4 监测点位置对混合时间的影响4 3 3 3 5 一种计算混合时间的新方法4 5 3 4 本章小结4 6 第4 章流型对混合过程的影响4 7 4 1流型对混合过程的影响4 7 4 2 混合效果的评价5 0 4 3 转速对混合效果的评价5 2 4 4 本章小结5 5 硕士学位论文 第5 章结论与展望5 6 5 1 结论与展望5 6 5 2 后期工作展望5 7 参考文献5 8 附录6 3 在读期间发表论文及参加的项目6 5 在读期间发表论文6 5 参加的项目一6 5 致 谢6 6 i i i 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1引言 机械搅拌设备( 简称搅拌设备) 广泛应用于化工、石油、水处理、食品、 造纸、冶金等行业，是化工生产中应用最广的单元操作之一。搅拌设备在石油 化工生产中被用于物料混合、溶解、传热、制备悬浮液、聚合反应、制备催化 剂等。近年来，搅拌与混合技术发展很快，搅拌和混合设备正朝着大型化、标 准化、高效节能化、机电一体化、智能化和特殊化方向发展。在这种形势下， 掌握新的变化情况，正确设计与选用适合不同工艺条件下操作的搅拌和混合设 备，使其满足安全、可靠、高效、节能的要求，就变得十分重要【l 】。 机械搅拌的主要目的是加速体系中传质、传热和反应过程。对机械搅拌设 备而言，机械能通过旋转中的搅拌叶轮转化为流体的动能，形成釜内的整体流 动，完成传热、传质及反应过程。因此，体系中传热、传质效果的好坏与搅拌 釜内整体流动形态密切相关，对搅拌釜内流体流动特征以及搅拌器尺寸、安装 位置、转速等对流动形态影响的深入了解是搅拌设备优化及放大设计的基础。 同时流动场问题和搅拌能量问题一直都是搅拌过程所研究的主要课题，不同操 作目的的搅拌过程需要什么样的流动场，需要供给多大的能量以及各种形式的 搅拌器能提供什么样的流动场，这些相互关联的问题并没有完全解决【2 】。 流体混合技术在2 0 世纪6 0 年代到8 0 年代间得到了迅猛发展，其研究重点 主要是对于常规搅拌桨，在低粘度和高粘度的非牛顿均相体系、固液悬浮和气 液分散等非均相体系中的搅拌功率、混合时间等宏观参量进行实验研究，积累 了大量的设计经验和关联式。虽然搅拌混合技术是化工工业中最古老、最常规 的单元操作，但由于搅拌釜内流动场的复杂性，目前对这类复杂搅拌釜设计的 主要依据为搅拌釜内的宏观流动特性，如功率消耗、排出流量及桨叶叶端线速 度等。搅拌釜内的流动是三维的高度不稳定的湍流、脉动和随机湍流给流速测 量带来了很大的困难。研究者对搅拌釜内宏观特性进行充分的研究，可以给出 定性化判据和标准，但其经验性较强，依赖于小规模实验结果，不能预测真实 搅拌过程中各种流动场及搅拌釜内实际混合过程特性，因此很难向几何参数、 操作条件不同的过程推广。再者，宏观特性忽略了釜内流动的局部信息，而对 于快速反应过程或粘质反应体系，反应进程主要取决于搅拌釜内局部微观混合 第1 章绪论 状态，不了解局部流动信息就不能掌握这类反应器设计的关键。此外，两相分 散体系中气泡、液滴大小分布、不同尺寸设备湍流有序和随机成分的差异都揭 示，有必要深人研究搅拌器内传递过程。因此，需要从流体力学基础理论出发 来预测搅拌釜内流动及混合特性【3 】。 近年来，测试技术、计算机图像处理技术和计算流体力学( c o m p u t a t i o n a l f l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) 技术取得了长足的进展，为搅拌釜流场的实验研究 和模拟计算创造了良好的条件。实验方法对搅拌设备内流场的测量往往只能获 得一些局部的信息，而且流场测量的实验装置一般比较昂贵，实验过程比较费 时。将c f d 方法应用于研究搅拌釜的搅拌混合过程的时间还不算长，可以追溯 到2 0 世纪7 0 年代，但是却给这一领域的研究注入了新鲜的血液。众所周知， 对搅拌混合技术的研究主要是依靠一些经验的手段，尚未形成完整的理论体系。 实践证明，按上述原则设计优化的搅拌器很多时候不处于最佳工作状态，造成 了不必要的能耗。随着新产品及新技术的发展，对搅拌流体的混合效果、传热 及传质程度提出了更高的要求。传统的经验设计放大方法的可靠性越来越受到 人们的质疑。c f d 方法可以方便地对新型设备、不同的操作状况进行模拟，可 以方便地获得搅拌釜内的详细信息，并实现了模拟结果的可视化，大大减少了 经验方法中的实验过程，缩短了新产品的研发周期，对搅拌反应器的设计优化 及放大提供更加可靠的依据和详尽的参考信息。随着计算机技术的不断发展， c f d 技术必将对搅拌设备的研发带来革命性的变化。 1 2 机械搅拌设备 1 2 1 搅拌设备结构 搅拌设备由搅拌容器和搅拌机两大部分组成。搅拌容器包括釜体、外夹套 以及各种用途的开孔接管等，搅拌容器常被称作搅拌釜或搅拌槽，釜体的结构 型式通常为立式圆筒形；搅拌机则包括搅拌器、搅拌轴、轴封、机架及传动装 置等部件【4 1 。搅拌设备的典型结构如图1 1 所示。搅拌器是搅拌设备的核心部件， 常被称作叶轮和桨叶，常用的叶轮形式有涡轮式叶轮、齿片式叶轮、推进式叶 轮、桨式叶轮、锚式叶轮、螺带式叶轮等。有时搅拌轴上可装有多个叶轮，且 叶轮的形式有数十种，釜体和附件的形式也很多，通过不同组合，实际搅拌设 备构型有数百种之多【5 j 。 硕士学位论文 图1 1 搅拌设备结构 f i g 1 - 1t h es n l l c t u r eo f m i x i n ge q u i p m e n t 1 搅拌器；2 釜体：3 夹套；4 - 搅拌轴：5 支座；6 加料口；7 轴封：8 传动装置 1 - i m p e l l e r s ；2 - t a n k ；3 - c l i ps e t ；4 一s t i r r i n gs h a f ；5 - b e a d n g ；6 - f e e d i n g ， 7 - s h a f ts e a l ；8 - t r a n s m i s s i o nd e v i c e 1 2 2 搅拌器的作用 搅拌器的功能概括地说就是提供搅拌过程所需要的能量和适宜的流动状态 以达到搅拌混合的目的。搅拌可使被搅拌介质的各部分接近于匀质状态，可增 大分散相的有效接触面积，可降低分散相周围的液膜阻力以及增大相对速度提 高传热速率等。 搅拌器的主要作用： 1 、使物料混合均匀： 2 、使气体在液相中很好的分散； 3 、使固体粒子在液相中均匀地悬浮； 第1 章绪论 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。 对于均相混合，混合的快慢、均匀程度和传热情况好坏，都会影响反应效 果。至于非均相系统，则还会影响到相界面的大小和相间的传质速度，情况更 为复杂。搅拌条件的改变，经常会敏感地影响到产品的质量和产量。 1 3 搅拌釜内流场的实验研究 搅拌的各种作用是通过流体流动实现的，准确地对流场进行测量，如实反 映流场的真实情况，是流场研究的第一步，因此流场的信息对于优化设计搅拌 设备和开发新型搅拌设备都是十分重要的。在搅拌釜流场的的实验方面，主要 的测试方法有毕托管法、热线或热膜风速仪、激光多普勒测速( l d a 或l d v ) 和粒子图像测速( p i v ) 技术【6 1 。 毕托管的测试原理是利用流体绕流球体的特性，同时采用对向测量和不对 向测量相结合的方法，是一种经典、成熟的方法。对于三维流动的测定，必须 先用毕托管探测流向，然后再更换探头测量流速，这种方法会干扰流场，压力 信号响应迟缓。热膜风速仪的测量原理是建立在热对流理论的基础上，通过测 量热膜上的热量损失来测量气体的流速，可用于不稳定流动中的动态速度的测 量；这种测量方法的最大缺点是接触式测量，对流场干扰大，难以测量细微湍 流流场，对污染比较敏感。综上所述，毕托管法和热膜风速仪法由于要把测量 探头插入釜中的液体，会对流型产生干扰，目前已较少使用。 目前较先进的流速测量技术主要是激光多普勒测速技术( l d v ) 和粒子成 像测速技术( p ) 。这两种测速方法具有不干扰流场，测量精度高，动态响应 快，分辨率高等优点，实现了实时采集分析、显示粒子图像、速度矢量图，是 目前流速测量的首选方法。l d v 法一般多用于气体、水等透明度高的流场，每 次只能测量流场内一点或几点的瞬时速度值，提供整个流场的结构信息需要进 行大量的实验，且激光管寿命较短，而更换激光管费用较高，在搅拌釜内流场 测量上受到一定的限制【7 - 9 1 。 近年来p w 技术发展很快，该法的基本原理是在液体内放入一定量的、密 度与搅拌介质相同的示踪粒子，在由激光形成的片光源下用高分辨率的摄像机 4 硕士学位论文 摄得流体在釜内某一刨面的流动情况，再用计算机对所摄的各帧图像中的示踪 粒子进行识别和跟踪。由于示踪粒子遍布整个釜内液体，在一个剖面上有足够 多的示踪粒子显示出来，故p i v 法能一下子得到一个釜的剖面上的流速分布信 息，测量效率比激光多普勒测速仪高得多【1 0 1 1 1 。 p i v 技术实现了对一个平面流场的测量，在同一时间间隔内测量流场中某 一平面上很多点处示踪剂粒子的运动速度，保留了流动场空间相关信息，从而 揭示出非定态流动场湍流流动的空间结构【1 2 】。近些年来随着计算机、光学、信 息图像等相关领域技术的发展，p i v 技术在西方发达国家得到了迅速的发展， 已在湍流、分离涡和射流等试验研究中取得重要成果。p i v 法已经逐步应用于 各种流场中，从定常流动到非定常流动、低速流动到高速流动、单相流动到多 相流动等。我国在p i v 上的理论研究还处于起步阶段，应用方面的研究正在逐 步开展。 1 9 9 6 年，b a k k e r 和w a r d 首先利用p i v 技术测量搅拌釜内的二维流场。随 后，国内外有很多学者采用p i v 技术研究了搅拌反应器内的流场。经过十多年 的发展，二维平面p i v 技术已获得了人们的普遍认可，成为研究各种复杂流场 的一种有效手段。 聂毅强【1 3 l 等简化了粒子成像测速技术，利用a u t o c a d 的二次开发改进了 p i v 图像处理，提高了测量精度，可适于处理清晰度较差的流场图像，使其运 用于大尺寸、流质透明度较差的搅拌釜流场测量中。 谢理智【1 4 】使用p i v 测量了搅拌釜内的瞬时流场、瞬时雷诺应力场、瞬时剪 应力场和涡量场，考虑了挡板对流场结构的影响。研究表明，挡板与叶轮相对 位置的变化对流场的影响不大，但由于挡板的存在，在釜内形成了明显的上下 循环流动，促进物料微观尺度上的混合。 高殿荣【l5 】用粒子图像测速技术对带有r u s h t o n 桨叶的、无挡板搅拌釜内的 流场进行研究，得到了相平均速度场和速度分布剖面图。结果表明，r u s h t o n 桨的径向喷射流沿桨叶垂直方向呈非对称分布，略向下方倾斜。在桨叶附近， 径向流动速度高，在远离桨叶处，径向速度变的越来越平缓。 樊建华等【1 6 1 用粒子图像测速技术对桨叶直径与釜直径比约为0 5 的涡轮桨 搅拌釜内流场进行了测量。确立了多采样点平均的实验方法，并进而找出了最 第l 章绪论 佳采点数，在获取时均速度场的基础上计算了流量准数、涡量和湍流动能的分 布情况。 c h u n g t l 刀采用二维、三维粒子图像技术，实验测量了搅拌釜内流场分布情 况，同时考虑了挡板对流场结构的影响。通过对比结果发现，在设置挡板的情 况下，两种测试方法的实验结果几乎一致；在没有挡板的搅拌釜内，两种测量 结果出现很大的差异，二维p i v 的计算结果明显偏大。 s h a r p 和a d r i a n l l 8 】在釜径t = 1 5 0 m m 的搅拌釜中，利用p i v 测量了r u s h t o n 桨叶的小尺度湍流结构，在桨叶区产生了尾涡和径向射流。结果显示，搅拌釜 内大尺度循环的产生与平均流场有关，尾涡随着远离桨叶运动而增长。 潘春妹【l9 】等利用高分辨率p i v 测试技术，对多种复杂流型下桨叶的流场、 平均速度、湍流动能和尾涡结构进行实验研究，通过改变桨叶之间的层间距和 桨叶离底距离产生了三种流型：平行流、合并流和分散流。 程先明1 2 0 1 利用p i v 技术研究了涡轮桨的叶片长度、离底距离、桨叶直径及 叶片形状对流动特性的影响。研究表明，涡轮桨的上下尾涡的发展轨迹是不对 称的，不同桨径的涡轮搅拌桨尾涡湍动强度递减速率也不同，桨径较大的涡轮 桨产生的尾涡耗散要快一些。 曼篓篓= ：= = = 篓：= ：= ：= ：= = ：= ：= = = ：二二二= 篓篓鬻 毫肇囊墨 数字化搅拌器实验平台监控系统 m o n i t o r i n gs y s t e mo ft h ed i g i t a lp l a t f o r mf o ri m p e l l e re x p e r i m e n t 静 糌譬f簟錾鞋隧。 勤芟苜1m 啪l 。 鞠由曰驴嚷把 图1 - 2 数字化搅拌器实验平台 f i g 1 2t h ed i g i t a lp l a t f o r mf o ri m p i l l e re x p e r i m e n t 同时已出现融合p i v 技术与机电控制技术搭建的数字化搅拌器实验平台， 一一一一涸 襞 m 麓 搬黔赫哆徘一一一筒 燃瓣琴一 繁繁鬻。一一一蘩黍瀵鬻饿磷糕黉麓。 硕士学位论文 如图1 2 所示。该系统采用机械搅拌装置作为主体，辅助以传感器、可编程控 制器以及计算机等搭建数字化搅拌器实验平台，并通过工控组态软件构建实验 平台的监控系统。它可以在线检测搅拌实验的相关参数，监测设备运行状态， 为实验研究提供方便。但这种方法耗资巨大，无法进行大规模使用。 综上所述，p i v 技术已广泛应用于搅拌釜流场的湍流研究中，同时发现其 对空间的解析能力不足，对于搅拌设备只能通过实验获得局部流场的信息，无 法改变目前依靠经验来放大搅拌设备的现状。目前p i v 测量数据的一个主要用 途是验证c f d 模型的仿真结果的正确性，提供相关模拟的初始条件。随着p 1 v 测试技术的迅速发展，能够实现对时间和空间的精确解析，可用于搅拌釜内流 动特性的深入研究和分析。 1 4 搅拌釜内流场的数值模拟 1 4 1c f d 简介 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 ) 是以流体力学理 论为基础，通过计算机数值计算和图像显示的方法，在时间和空间上定量描述流 场的数值解，从而达到对物理问题研究的目的【2 1 1 。它为搅拌釜内流场的多维理 论研究带来新思路和新方法，在很大程度上代替了耗资巨大的流体力学设备， 在新型搅拌设备的研究开发中起着举足轻重的作用。 c f d 可以看作是在流体流动基本方程( 质量守恒、动量守恒以及能量守恒 方程) 控制下对流动的数值模拟。通过这种数值模拟，可以得到极其复杂问题 流场内各个位置上的基本物理量( 如速度、压力、温度以及浓度等) 的分布， 以及这些物理量随时间的变化情况，确定相应的漩涡分布特性、静压力分布和 气含率分布等等。随着c f d 的深入研究，其准确性、可靠性、计算效率得到大 幅度提高，已经从简单的定性分析发展到定量计算。当前新型搅拌设备的设计 和现有设备的改造越来越依赖c f d 的预报能力。 1 4 2 搅拌釜内流场的c f o 研究 c f d 在搅拌反应器中的应用可以追溯到2 0 世纪7 0 年代，它为新型搅拌设 备的研究注入了新鲜的血液。搅拌反应器中的流动是三维的和高度不稳定的湍 流，脉动和随机湍流给流速测量带来了很大的困难。建立在传统方法上的放大 准则，像单位体积功、搅拌雷诺数、叶端线速度等，都是基于全场基础上的宏 第1 章绪论 观参量，忽略了局部流场的变化，导致了这些准则在有些时候与实际情况相矛 盾，其准确性遭到质疑。由于c f d 克服了实验测量的弊端，可以提供反应器设 计和放大的详尽信息，迅速发展成为一种新的设计工具。 从数值模拟的角度来看，模拟搅拌釜流场的最大问题是由液面、釜壁、挡 板和桨叶所围出的流动域形状是随时间不断变化的，明显区别于化工过程中的 其它反应器。为了解决运动的桨叶和静止挡板之间的相互作用，许多研究者提 出了各自不同的解决办法，这个过程也是c f d 技术不断发展，完善的过程。文 献中的处理方法主要有：“黑箱模型法，动量源法，内外迭代法，多重参考系 法，滑移网格法等。 ( 1 ) “黑箱”模型法 从c f d 开始应用于搅拌釜直到现在，“黑箱模型法的应用一直很普遍。 该方法在计算时将桨叶区从计算域中扣除，以表面边界条件的形式来代替桨叶 产生的作用，边界条件数据由试验测量得到。h a r v e y t 2 2 】第一次采用这种方法计 算了涡轮搅拌桨的二维流动场，并与g u n k e l 2 3 】的实验数据做了对比。由于假设 过于简单，导致叶轮附近及釜底区域的模拟结果与实验数据差别较大，但在循 环区的计算结果还是基本符合实验数据的。r a n a d e 2 4 】采用两种不同的桨叶边界 定义方法计算了涡轮搅拌桨的三维流动场，并与自己的实验数据进行了比较。 通过对比发现，实验数据给定的边界条件一定要满足桨叶扫过区域的守恒方程。 由于“黑箱”模型法边界条件的确定离不开试验数据，同时一套桨叶区边界条 件只能用于和该条件几何相似的体系，另外使用这种方法不能得到搅拌桨处流 动的细节问题。由于这些条件的限制，导致“黑箱”模型法必须依靠实验工作 的配合，不能成为独立的设计工具。 ( 2 ) 动量源法 为了克服桨叶区边界条件的限制问题，研究者开发了许多新的方法以实现 对搅拌釜内流动场的整体模拟。基于搅拌桨叶区流体流动的分析，p e r i c l e o u s l t 2 5 】 提出了“动量源”模型，该方法将桨叶动边界作为动量方程的源项加入，采用 切向方向的附加“源”代替六直叶涡轮作用。他们利用p h o e n i c s 软件模拟了 单层、多层六直叶涡轮搅拌釜的二维速度场分布，与实验结果数据基本一致。 h 砌l 锄【2 6 1 在采用动量源法处理桨叶的基础上又引入了壁面函数法处理近壁区 硕士学位论文 域。x u 【2 7 1 对“动量源”模型进行了修改和完善，提高了模型预测的准确度。动 量源法在使用过程中没有额外的插值过程，使用于单一网格系统，若选择合适 的桨叶模型可以准确地模拟实际物理现象。 ( 3 ) 内外迭代法 b r u c a t o 2 8 】在“黑箱”模型的基础上，首次提出了“内外迭代法”。该方法 将搅拌反应器内流体域分为部分重叠的动静两个区域，内环包括旋转的桨叶， 外环包括静止挡板等，通过对重叠区域内流动参数的迭代计算来实现动静区域 的匹配。相比“黑箱”模型法有了很大的进步，不再需要实验数据，实现了搅 拌釜流动场的整体模拟。但这种方法在计算时仍然需要试差迭代，收敛速度较 慢，商业软件没有采用这种方法，在一定程度上限制了此方法的普及应用。 ( 4 ) 多重参考系法( m r f ) l u o 2 9 】提出了一种稳态流动场的计算方法，该方法的思想与内外迭代法相 同，采用两个参考系分别进行计算。这种方法将计算域分为两个区域，内部区 域包括旋转的桨叶，外部区域包括静止的挡板，桨叶附近区域在旋转参考系下 计算，其他区域使用静止参考系。与内外迭代法不同的是，m r f 法的两个区域 没有重叠的部分，而且交界面是重合的两个面，分别属于不同的区域，两个不 同区域内速度直接通过交界面上的插值计算得到。m r f 模型是不同旋转或移动 速度的每个区域的稳态近似，此方法不需要实验数据，对桨叶结构的描述比较 真实，适合桨叶和挡板相互作用较小的体系 3 0 - 3 3 】。m r f 方法被添加到了商业软 件f l u e n t 中，使得该方法在搅拌釜的流场模拟中应用更加普遍，国内外有很多 文献用此法对搅拌反应器的流动场进行了整体数值模拟。 o s h i m o w o 3 4 】用m r f 法研究了釜内的切向速度。s y r j a n e n l 3 5 1 利用m r f 方法 研究了不同网格数量下4 5 。斜叶涡轮桨的流动场，在高密度网格下，采用尼 湍流模型和近壁湍流模型，成功模拟了叶片产生的尾涡，其形状、位置和实验 结果一致。w e c h s l e r 3 6 】用多重参考系法模拟了装有斜叶搅拌桨的反应器，并利 用高性能的并行计算机测定了网格密度对计算结果的敏感性。 在国内，梁瑛娜【3 7 】等采用m r f 法，利用l a m i n a r 层流模型对双层六直叶涡 轮桨、双层六斜叶涡轮桨以及双层六直斜叶交替涡轮桨搅拌釜流场进行研究。 钟丽【3 8 】等采用多重参考系法，研究了搅拌器的功率曲线，对不同雷诺数范围分 9 第1 章绪论 布进行了模拟，计算得到的功率准数误差在工业许可范围内。倪邦庆【3 9 】采用 m r f 法对高粘度物料的双螺带搅拌釜进行了速度场模拟，准确预测了搅拌釜内 的速度场，通过改变s d 的值，找到最匹配的值和最佳搅拌转速，为搅拌釜的 设计提供理论依据。方键【删等采用流体力学软件f l u e n t 对具有4 台侧进式搅拌 器的搅拌釜内流场进行了三维模拟，计算了不同雷诺数下此类搅拌器的功率准 数，得到了功率曲线。郝惠娣【4 1 】等采用a n s y s 软件，对单层径向流涡轮桨搅拌 釜内的流动场进行了数值模拟，研究了涡轮形式、涡轮安装位置、涡轮尺寸对 流场的影响。韩路长【4 2 】等对r u s h t o n 搅拌釜流场进行了计算，并与文献报道实 验数据进行了比较，结果表明计算的排出流量准数比实验值相差较小，桨叶区 速度场与实验数据吻合较好，但湍动能值与实验值还存在一些差异。 ( 5 ) 滑移网格法( s l i d i n gm e s h s ) 滑移网格法是2 0 世纪9 0 年代中期发展起来的基于流场为非稳态思想的一 种方法。滑移网格技术可以处理非定常问题，这是它与m r f 模型的最大区别， 它可以真实可靠地反应搅拌桨和挡板之间的相互作用，非常适用于转子和静子 相互作用强烈的场合。 l u o 4 3 】提出了滑移网格法，并在s t a r c d 软件中采用这种方法计算了六直 叶涡轮的流动场，与试验结果和一种稳态计算结果进行了对比，证明该方法的 结果较好。j a w o r s h k i 删用f l u e n t 软件和滑移网格法计算了六直叶涡轮的流动场， 并与他们角度分解的l d a 实验结果进行了对比。在国内，周国忠【4 5 】利用滑移 网格法，采用三种不同密度的网格，计算了六直叶涡轮搅拌桨的三维流动场， 得到了桨叶附近流动场中所产生的尾涡，并将不同密度网格下的模拟结果与实 验数据进行了比较。孙会【4 6 】等利用滑移网格法计算了六直叶r u s h t o n 涡轮搅拌 设备内的流场，考察了c f d 模拟搅拌设备流场的预测能力，分析了搅拌桨叶端 及附近区域的流动行为，计算的时均速度与实验结果一致，c f d 技术与实验手 段可相互补充。 滑移网格法最大的不足是计算中需要使用的计算资源比较大，对内存、c p u 速度都有较高的要求，所以在使用滑移网格技术时需要使用配置较高的计算机。 2 0 0 3 年s o m m e r f e l d 4 7 】等将该方法与m r f 方法进行了比较，发现在获得相当精 度的情况下，后者所需的计算时间远远小于前者，因此，对于搅拌设备流场的 1 0 硕士学位论文模拟中，m r f 方法要比滑移网格法优越。1 5 搅拌釜内混合特性的研究1 5 1 混合过程搅拌最直接的功能是物料的不同组分经搅拌而相互混合，形成具有某种均匀程度的混合物。在搅拌釜中，通过叶轮的旋转把机械能传给液体物料，造成介质的强制对流，混合过程正是在强制对流作用下的强制扩散过程。搅拌过程可使搅拌液体的各部分接近于均质状态，可增大分散相的有效接触面积，可降低分散相周围的液膜阻力以及增大相对速度提高传热速率等。图1 3 所示为两互溶液体的混合过程。在整个均匀混合进程中包括两种不同的进程，即“破碎”和“扩散”。前者是减少团块的尺寸，使其随搅拌过程的进行而逐渐减小。后者是消除混合物相邻区域之问浓度上的差异，两者需用不同的物理量来描述。卜i 叶叫宏观温合融坦混合图1 - 3 液体的混合过程f i g 1 - 3m i x i n gp r o c e s so fl i q u i d实际混合过程是三种扩散机理的综合作用，即主