型卧式双轴搅拌装置的数值模拟

.*;;中文摘要高粘度、高凝固点、强热敏性物系的分离纯化是精馏过程中的难题，该类物中文摘要高粘度、高凝固点、强热敏性物系的分离纯化是精馏过程中的难题，该类物系在分离设备中存在着流动性差、停留时间长、局部过热碳化或膨化等问题。新型带自清洁功能的卧式双轴搅拌再沸器适用于高粘度、高凝固点、强热敏性物料，本文应用CFD技术对该装置进行流体力学数值计算，研究其流场特性、功率特性及停留时间特性，为该装置的优化设计提出理论依据。应用Solidworks软件对卧式双轴搅拌设备建立合理的三维模型，运用非结构网格技术对几何模型进行网格划分；采用动网格、多相流及非稳态模拟计算方法，对卧式双轴搅拌装置在不同物料粘度、液相流速，搅拌轴转速下的流场特性和功率特性以及不同物料粘度的停留时间特性进行数值计算。结果表明，高粘度时液相的轴向流动主要集中在清理轴一侧，搅拌翅与推进叶片周边的液相流速很小；液相进出口流速越小、转速越大、粘度越小，液相主体区域的轴向流动受到搅拌作用的影响越大，流动由轴向转变为径向越明显，液相流动区域更易形成漩涡和流动死角：液相主体轴向流动空间随着液相进出口流速的增大而增大，液相主体轴向流速明显大于进出口流速；转速增大，靠近外壁面和搅拌翅及推进叶片壁面附近的低流速区域缩小；粘度越大，气液相界面偏离水平位置，即与初始位置形成的夹角越大，气相运动更加剧烈，更易形成漩涡。搅拌轴及清理轴的轴功率在一个周期范围内呈规律性变化，搅拌总功率主要消耗在清理轴上；低粘度半釜持液量时，在双对数坐标系下搅拌轴和清理轴的搅拌功率与转速对应的直线斜率分别为2．94和2．96，搅拌功率近似与转速的立方成正比，即N总oco；高粘度半釜持液量时，双对数坐标系下搅拌轴和清理轴的搅拌功率与转速对应的直线斜率分别为2．20和2．23；清理轴和搅拌轴功率准数的对数与雷诺数的对数呈线性关系，即Npl=3．28RelⅢJ7，Np2=l7．26Re2旬J6，{此处功率准数与雷诺数并不成倒数关系；粘度增大时，停留时间增大，流动过程中返混现象明显增大。关键词：高粘度物料，卧式双轴搅拌设备，流场特性，搅拌功率，停留时间，CFDABABSTRACTTheseparationandpurificationofthemixturewithhighviscosity,highfreezingpointandstronglyheat—sensitivityisquiteahardproblemindistillationprocesg．Therearelotsofproblemsinseparationequipmentwi也themixture：poorfluidity,longresidencetimeandcarbonizationandexpandedforlocaloverheated．Anewtypeofreboilerwithhorizontalbiaxialstirringshaftscouldsolvetheseproblems．Thepurposeofthispaperistostudyonthisreboilerthroughthecomputationoffluiddynamicsandfindtheflowcharacteristics，powerperformancesandresidencetimeintheequipmerit．Aproperthree-dimensionalmodelofthereboilerequippedwimhorizontalbiaxialstirringshaftwasconstructed．Meshingwiththeunstructured咖dtechnology；也eflowcharacteristicsandresidencetime(RT)invariousviscosityinthetank，andpowerperformancesaswell，areinvestigated．Theinfluencesofliquidvelocityandrotationspeedonthecharacteristicsmentionedabovearestudiedbyuseofdynamicmeshtechnique，multipbaseflowandunsteadymodel．Theresultsshowthattheaxialflowofliquidwasmainlyconcenlratedneartheclean-upshaftside，thevelocityofliquidaroundtheimpellersandbladesisslightlyvaried；Theinfluence011theaxialflowofthemaintrendbystirringbecamemoreobviouslywiththesmallerliquidinlet／outletvelocity，largerrotationspeed,andlowerviscosity．Underthesameconditions，axialflowchangedintoradialflowmoreclearly．Meanwhiletherewillbemorevorticesanddeadzoneintheliquidflow．Atlargerliquidinlet／outvelocity,thespaceofmainaxialflowwillbelarger,andthevelocityofthemainaxialflowislargerthantheliquidinletvelocity；thespaceofslowvelocityofliquidaroundtheimpellersandbladeswillgetsmalleratlargerrotationspeed；thelargertheviscosityofthefiquid，themoredeviatedfromtheleveloftheinterfacebetweengasandliquid，themoreviolentlymovementsofthegas．Andthevorticesareeasilyformed．Thepowerofclean-upshaftandagitatingshaftchangeregularlyinaoperationcycleandthepowerofclean-upshaftismorelargethantheother；whenliquidholdupishalfthevesselandtheviscosityissmall，thepowerofclean-upshaftandagitatingshaftincreaseslinearly、)~ri也rotationspeedonalog-logplot，whichslopeofthecurveis2．94and2．96respectively，andthepowerisalmostproportionaltothecubeofrotationspeed，thatisNtotai03’；undertheconditionofhalftheliquidholdupandtheviscosityishigh，thepowerofclean-upshaftandagitatingshaftincreaseslinearlywitllrotationspeedonalog—logploLwhichslopeofthecurveis2．20and2．23；theIIpowerpowernumber(Np)decreaseslinearlywiththeReynoldsNumber(Re)Oilalog．109plotinthelaminarregime，Npl=3．28Reim·77，NlD2=17．26Re2’0·76，buttheslopeofthecurveisnot-1．Forthehigherviscosityflow,therewillbelongerRTandmoreseriouslybackmixing．KEYWORDS：highviscositymaterial；horizontalbiaxialstirringvessel；flowcharacteristics；powerperformances；residencetime；CFDnI目 目 录前 言 ．1第一章文献综述 21．1搅拌设备简介 。 21．1．1立式搅拌设备 - 一21．1．2卧式搅拌设备 ．31．2搅拌技术的研究进展 41．2．1LDV／PIV测速技术 ．51．2．2电子过程断层成像技术 ．5、 1．2．3计算流体力学 ．．- ．．61．3CFD在搅拌设备研究中的应用 ．61．3．1CFD方法及商业软件 ．7气 1．3．2CFD处理搅拌设备转动的方法 81．3．3CFD模拟搅拌设备的研究内容 ．．111．4搅拌设备内CFD技术发展趋势 ．131．4．1非结构化网格 131．4．2多相流的数值模拟 141．4．3大涡模拟和直接数值模拟 151．5搅拌设备的功率和停留时间特性 ．151．6本文研究的目的及内容 ．．16第二章D—T型双轴卧式搅拌装置的模型建立与计算方法 。182．1SolidWorks构建几何结构模型 182．2网格生成 202．3指定边界及区域类型 一222．4物理模型与边界条件 j ．222．4．1流体力学模型 。立 。 ．．222．4．2动网格模型 ．．j ．232．4．3非稳态模型 232．4．4多相流模型 242．4．5边界条件与求解策略 242．5小结 ．25第三章D-T型双轴卧式搅拌装置的流场特性 ．．263．1流场的基本特性 一263．1．1X轴截面上流场的基本特性 283．1．2Y轴截面上流场的基本特性 293．1．3z轴截面上流场的基本特性 ．303．1．4轴向线的速度分布 303．2流场特性的主要影响因素 ．．323．2．1不同液相进出口流速时的流场和速度分布 ．323．2．2不同转速∞时的流场和速度分布 ．353．2．3不同粘度时的流场和速度分布 383．3小结 ．42IV第四章D-T第四章D-T型双轴卧式搅拌装置的功率特性 一444．1功率特性的模拟计算 ．．444．1．1搅拌装置功率的CFD计算方法 444．1．2搅拌结构的受力分析 444．1．3卧式双轴装置的功率特性计算方法 一454．2功率特性的影响因素 。484．2．1液相进出口流速对功率的影响 。484．2．2轴转动速度对功率的影响 ．．504．2．3粘度对功率的影响 514．2．4功率准数与雷诺数之间的关系 ．．534．3小结 ．55、 第五章D-T型双轴卧式搅拌装置的停留时间特性 575．1停留时间的模拟计算方法 一575．2物料在设备内的运动轨迹 ．．57～ 5．3不同粘度下的停留时间 ．．625．4小结 ．65第六章结论 一66参考文献 67附录符号说明 一72致 谢 一73V天津大学硕士学位论文天津大学硕士学位论文前言．▲_‘．_Jo刖 舌本课题源于针对高粘度、高凝固点、强热敏性物料的带有卧式搅拌装置的再沸器的开发。苯酐、哌啶醇、对．叔丁基苯酚、邻苯二酚和对苯二酚等作为重要的精细化工产品，在化学工业尤其是精细化学品的生产中具有较广泛的用途，但由于以上物料凝固点高、热敏性强，国内生产装置分离工艺与设备比较落后等原因，普遍存在釜残中产品含量较高而影响收率的问题，亦即残渣排放较多。例如在苯酚双氧水氧化法联产邻、对苯二酚的工艺中，反应过程中二元酚过氧化物(焦油)的反应速率常数远超过二元酚的反应速率常数11]，使得控制焦油的生成量比较困难。焦油的粘度较大，邻、对苯二酚的沸点、凝固点都很高，又具有热敏性，二元酚在输送分离过程中处于高温的时间越长，越容易热解转化成焦油，而焦油组分的热敏性更强，当被加热到250"C以上时，其中的某些组分便发生了结构上的变化，组分之间也可发生化学反应，温度过高还会出现碳化、膨化现象。所以得到高纯度的二元酚产品，工程难度很大【21。再沸器是精馏塔的重要辅助设备，其功能是使塔底釜液部分汽化后返回塔内，提供精馏过程所需热能。再沸器类型包括强制循环式，内置式及自循环式。化工生产中自循环式最为常见。自循环式又包括立式热虹吸式、卧式热虹吸式、釜式【31。热虹吸再沸器由于传热速率高，结构简单，且在循环液体中无能量消耗，故被广泛应用。不宜应用热虹吸再沸器的情况包括(1)流体易结垢粘度高：(2)塔是间歇操作的，或是从再沸器中引出物料；(3)加热介质温度不确定；(4)不稳定的操作过程等【3】。当所处理物料粘度高，物料流动性差，易结垢时，常常造成局部过热，同时由于所处理物料热敏性强，更加剧了碳化或者膨化现象，降低传热效果，甚至堵塞设备。釜式再沸器传热速率低，工艺流体侧的结垢严重，对于高粘度物料，特别是同时具有高粘度、高凝固点、强热敏性特点的物料，粘度较大，而换热管间隙小，部分物料很容易滞留在换热管间；在釜内停留时间过长，局部易过热[41。不难看出，常规再沸器在处理高粘度物料时，出现的主要问题是有易结垢，局部过热等，无法较好的满足生产要求。为了达到良好的分离效果，需研制开发适用于高粘度热敏性物料分离的短程快速蒸发系统和设备。带有搅拌结构的卧式再沸器是解决高粘度、高凝固点、强热敏性物系的分离纯化难题和减少蒸馏残渣的有效途径。天津大学硕士学位论文天津大学硕士学位论文第一章文献综述第一章文献综述1．1搅拌设备简介高黏度流体的混合是工业上常见的单元操作，许多行业都会遇到高黏度流体的搅拌或捏合操作，如石油、橡胶、塑料、涂料、油墨以及合成纤维、化妆品、制药、造纸、水泥食和品等行业。对于高黏度流体，合理选择和设计搅拌设备的形式，研究其混合效果，对于提高混合质量、强化传热、改善混合介质的性能至关重要嘲。搅拌设备根据结构和用途不同主要分为立式搅拌设备与卧式搅拌设备。1．1．1立式搅拌设备立式搅拌设备按结构形式分为：立式单轴与立式双轴搅拌设备。立式单轴搅拌设备因搅拌桨结构、搅拌槽底部形状、搅拌桨相对位置及搅拌槽高度直径比等因素不同而不同。常用搅拌桨形式有：螺带桨、锚式桨、框式桨、Ekato桨等，它们的共同特点是桨径大小与设备直径接近。搅拌槽的底部形状有平底、椭圆底、蝶形底掣”。立式双轴搅拌设备【6】包括同轴异速搅拌设备与双轴异速搅拌设备。同轴异速搅拌设备一般为立式圆柱形，中心有两套搅拌轴，如图1．1所示。一套轴上固定着半径小的中心分散桨进行高速旋转；另一套轴上固定着螺带桨、锚式桨或框式桨等近壁式搅拌桨进行低速旋转。近壁桨保证了全槽流体运动不会停滞，中心桨则将流体撕拉成愈来愈薄的流体层。随着搅拌进行，低速区和高速区的流体不断交换，从而达到整槽混合均匀的目的。对于复杂的混合过程，依照流体黏度变化的情况，可适当调节两轴转速，甚至在某些情况下可以仅用高速桨进行搅拌，低速桨作为挡板以满足不同混合过程的需求。双轴异速搅拌设备通常由两个不同心的轴构成，两轴各自安装搅拌桨，如图1-2所示。两搅拌桨处于不同液面高度，通常均为小直径分散桨，如斜叶桨、涡轮桨等，或采用小直径分散桨与近壁式大直径桨结合的形式，使其既有形成全槽宏观流的低速搅拌器(通常为锚式桨)，又有形成微观湍动涡流的高速搅拌器，两桨叶同时作用使槽内流体达到良好的混合状态pJ。2天津大学硕士学位论文 第一章文献综述图1．1同轴异速搅拌设备 图1．2双轴异速搅拌设备、 Figl-1CoaxialmixingequipmentFig1-2Biaxialmixingequipment1．1．2卧式搅拌设备～卧式搅拌设备按照结构形式分为：卧式单轴搅拌设备、卧式双轴搅拌设备等；卧式单轴搅拌设备结构相对简单，其转子形式主要有：圆盘型、螺带型、Z型、．E型、双旋型等。图1．3是瑞士List公司的卧式单轴自清洁型搅拌设备，它靠转轴上的T形叶片与槽壁上伸出的许多钩子相配合来完成自清洁功能‘51。图1．3List公司卧式单轴搅拌设备Fig1-3List'suniaxialhorizontalmixer卧式双轴搅拌设备形式有多种种，如椭圆盘、偏心圆盘、T形叶片等。卧式双轴设备特别适用于高黏、超高黏和粉体物系的搅拌混合，转动时两轴上的搅拌构件之间以及它们与混合器壁之间相互刮擦从而具有自清洁功能。近年来这种搅拌混合设备越来越受到关注，其可以用于多相态变化体系而且具有高剪切力，在聚合反应工业过程中应用较广泛。如图14所示为日本三菱重工公司生产的卧式双轴搅拌器【5】，搅拌构件为椭圆盘状，两搅拌轴由调速马达驱动作同向旋转运动，桨叶端部与搅拌轴之间及桨叶表面、桨叶端部与器壁之间间隙较小，使得搅拌设备具有自清洁作用。如图1．5所示为瑞士List公司生产的卧式双轴搅拌机【12】，属于全相型混合设备。左边一根是主搅拌轴，上面有许多被捏合杆连在一起的盘片，捏合杆稍有倾斜，使物料在进行径向混合的同时，能受到一个轴向的输送力；3天津大学硕士学位论文天津大学硕士学位论文第一章文献综述另一根是清洁轴，该轴装有一排倾斜的捏合框。清洁轴以3倍于主搅拌轴的转速进行旋转，通过两轴上的元件相互啮合，从而使搅拌器具有自清洁功能。搅拌轴和盘片中间是空的，能通人传热介质，加上夹套的传热面积，使该搅拌设备有高的传热能力【5】。卧式双轴T型搅拌器【8】也是一种常见的高黏度搅拌设备。它具有部分自清洁功能，且构造简单，双轴上装有T型叶片，两轴作同向旋转，釜体有效反应体积大。图1-4日本三菱公司卧式双轴搅拌设备 图1．5List公司卧式双轴搅拌设备FigI-4Mitsubishi’sbiaxialhorizontalmixerFig1—5List’Sbiaxialhorizontalmix@r针对于开发具有搅拌作用的再沸器，适合采用卧式结构，对于卧式单轴结构，搅拌翅可以刮净与釜体内壁之间的粘结物料，在壁上装自清洁装置；对于卧式双轴结构，搅拌翅与搅拌翅之间以及搅拌翅与釜体内壁和搅拌轴之间可以相互刮净粘结在其上的物料，强力的混合和捏合作用能有效地破碎结焦物质，气液相界面在釜内能多次被更新；随着轴的转动，叶片会产生螺旋式轴向运动，因而推动高粘度、高凝固点液体物料在受热部分汽化的同时，被送出再沸器，被送出的物料可实现一次受热，也可以进行循环再进入再沸器，进行二次或多次受热汽化。物料即使在经过再沸器后变成固体或粉末，也可以被推出设备，保障设备安全连续运行。鉴于卧式双轴的以上优点，因此本文拟对卧式搅拌设备的特性进行研究，合理选择和设计搅拌设备形式，研究其混合效果，对于提高混合质量、改善被混合介质的性能至关重要，所以对其流场、功率、停留时间等特性加以研究。1．2搅拌技术的研究进展搅拌设备向搅拌介质中输入机械能量，使得搅拌介质获得适宜的流动状态。然而，由于搅拌目的多样性和混合过程的复杂性，当前，搅拌技术还存在着许多问题，例如：搅拌槽内的流动是高度不稳定的湍流，脉动与随机湍流给流速测量带来了极大困难；传统的轴向流叶轮搅拌器搅拌效率低，功率消耗大，铸造成本4天津大学硕士学位论文天津大学硕士学位论文第一章文献综述高，在大型搅拌装置中难以放大运用；在自动化选型及设计问题上，长期以来领域专家经验知识人工完成，智能化水平低，导致设计周期长，资金和人力物力耗费大等等。研制新型搅拌装置和采用先进流场测量技术一直是搅拌过程所研究的主要方向。搅拌技术的核心任务是要弄清对于某类混合需要怎样的流场，应该使用怎样的叶轮以及用怎样的操作条件能够以最小的能耗来获得适宜的流场，从而达到预期的搅拌混合效果。评价一种新型搅拌设备的搅拌混合效果时，可以使用很多测试方法，可以测量搅拌能耗、传热能力、混合速率和混合效率等，但最基本的评价手段在于测量搅拌混合设备内的流动场【9】。1．2．1LDV／P1V测速技术搅拌设备内流场的精确测量是一件非常复杂的工作。20世纪80年代以来，国内外开始运用激光多谱勒测速仪LDV来测量搅拌设备内流场，它是一种较为有效的流场测量方法。利用LDV测量技术，可以准确获取搅拌设备中的一些信息，如湍流强度、时均速度、雷诺应力、剪切速率等，并可计算得到宏观特征参数如排量和功耗等。然而LDV是在一段时间内对某一测量点处进行测量，因此所测速度是时均定量值，通过对搅拌槽中每一点的测量可以得到整个流场。然而LDV仅仅提供了一些重要参数，并不能从本质上认识搅拌混合过程，无法改变目前依靠经验来放大的现状，并且LDV是一种光学仪器，它只能在光学透明容器内进行测量，液相内不能有高浓度的气泡和悬浮固体。LDV是典型的单点测量设备，即使用微机自控的激光测速仪，每次也只能测量一点，然而要想获得一个搅拌混合设备的流场信息，就需要测量几百个点甚至几千个点，由于这些测量不能同时进行，因此LDV不能用于研究非稳态流动。近年来，在激光测速技术上又有所改进，研制出光纤激光流速仪。为了研究时变流动，采用更先进的粒子成像测速仪PIV(ParticleImageVelocimetry)，可在瞬时得到整个流场分布。PIV技术本质上是图像测速技术，将摄像机与图像处理技术结合起来，其原理是搅拌设备由一狭缝激光束照射，用二个脉冲激发光源，从而得到粒子场的两次曝光图像，接着从曝光时间内粒子的位移计算出速度场。PIV技术能够测量瞬时速度场、能够把整个速度场上的全部速度矢量描绘出来，从而一下子解析出一个剖面的流场信息，但PIV技术亦只能在光学透明容器内进行测量【9】。1．2．2电子过程断层成像技术电子过程断层成像技术EPT(ElectricalProcessTomography)于20世纪80年代后期起源于欧洲，由英国UMIST大学开发，包括电阻断层成像系统ERT(ElectricalResistanceTomography)、电磁断层成像系统EMT(Hectrical5天津大学硕士学位论文 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述MagneticTomography)和电容断层成像系统ECT(ElectricalCapacitanceTomography)三类。在被测槽或管道外壁等距离贴附一组8到I6只传感器一周，此传感器为长方形不锈钢电极片，既是发射器又是接收器。槽或管道内要有两种具有不同电性能(电容率、电导率等)的物料(不同电导率的气体、液体和固体、液体和固体)，然后在有规律的电脉冲作用下，所有可能的相邻传感器组合的电压通过数据采集单元传送回计算机。计算机将记录所有电极的信号与先后次序，并采用图像重建技术还原出槽或管道横截面的图像，每秒可获得高达100帧图像。如果采用多组传感器对不同高度进行断层成像，则可在图像重建技术的辅助下，建立槽或管道的三维图像和实体造型。由于EPT可以准确地测量出搅拌反应器中的流动区域、速度场、气体和固体组分浓度分布等，而这些数据可用于从空间和时间两方面验证多相体系的混合模型和CFD模型， 因此EPT技术可直接用于优化搅拌器的设计和操作【9】。1．2．3计算流体力学数值模拟与理论分析及实验研究一起，相辅相成，逐渐成为研究流体流动的重要手段，形成了新的学科一一计算流体动力学CFD(ComputationalFluidDynamics)。CFD方法具有初步性能预测、内部流动预测、数值试验、流动诊断等作用。因此采用计算流体力学的方法，来模拟和预测不同几何尺寸和操作条件的搅拌槽中详细的流动和混合特性，是流体混合技术的发展趋势。CFD方法是现在和未来研制搅拌设备必不可少的工具和手段，它使设计者以最快、最经济的途径，从流体流动机理出发，寻求提高性能的设计思想和设计方案以满足多种约束条件下获取最佳的设计，可以说CFD方法为流体机械设计提供了新的途径【9】．o1．3CFD在搅拌设备研究中的应用伴随着计算机技术迅速迅速发展，计算流体力学(ComputationalFluidDynamics，CFD)学科迅速发展并趋于成熟。计算流体力学是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体动量、热量及质量传递相关现象进行分析的一种研究方法。CFD的基本思想：把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场(如速度场、温度场)用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定得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，然后透过求解这些方程组获得变量的近似值。从60年代开始CFD技术已经被用于航空工业中飞机、发动机的设计和生产中。起初，CFD被认为是只适用于高技术工业，而且只有经过特殊训练的专业人员才能使用。从80年代中期至今，随着计算机和商业CFD软件的发展，简单6天津大学硕士学位论文 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述的操作平台、友好的用户界面以及其自身强大的能力和独特的优势，使得CFD的应用更加普及，应用领域愈加广泛，比如，航空，水力，电力，化工，冶金，生化工程等。CFD软件的结构安排都是围绕解决流体流动问题的。1．3．1CFD方法及商业软件任何流体运动的规律都是基于质量守恒，动量守恒和能量守恒三个流动基本定律为基础的，这些基本定律可由数学方程组来描述，如Euler方程、N．S方程等。采用数值计算的方法，通过计算机来求解这些数学方程，研究流体运动特性，给出流体迄动空间定常或非定常流动规律。为了能够方便地解决问题，所有商业软件都提供了用户界面来输入参数和检查计算结果。因此，商业软件基本上由三部分组成：前处理，解算器，后处理。前处理过程为解算器，定义需要解决的问题的参数。前处理过程需要做的工作有：定义所求问题的几何计算域；对计算域进行网格划分；定义求解问题的类型和选择适用于求解问题的模型；定义流体的属性参数；确定边界条件和初始条件。对流动问题的求解是在每·个网格上进行的，因此，网格的质量与数量直接影响到计算结果的准确性。通常来说，网格数越多，计算结果越准确，但是计算费用也越高。比较好的方法是采用非一致的网格：对梯度变化较大和研究比较关心的区域采用细网格，而对梯度变化小的区域采用粗网格。还有一种方法称为自适应网格技术，它会在计算中自动对变化较大的区域进行网格加密。这种技术己经被加入到了商业软件中。解算器的任务就是对一系列的方程进行求解。经过四十多年的发展，CFD出现了多种数值解法，根据离散的原理不同，大体可分为三个分支：有限差分法：有限元法、有限体积法。有限差分法采用网格上的节点作样点来定义流动变量。网格节点和相邻点上变量的微分一般采用截断泰勒展开式的方法来得到差分近似。将这些差分式代替控制方程中的微分式就得到变量在每个网格节点上的代数式。有限元法用分段函数的方法来定义流动变量。有限体积法是将计算区域划分为一系列控制体积，将待解微分方程对每一个控制体积积分出离散方程。虽然有限元和有限体积方法在近年来取得了不少发展，但就方法发展成熟的程度、实施的难易及应用的广泛性等方面而言，有限差分这一类方法仍占相当的优势。经过处理得到了一系列非线性的代数方程组，需要用迭代的方法求解。常用的解算方法有TDMA，近年来也有其它新的解算方法如STONE，AMG等。对压力和速度的耦合一般采用SIMPLE算法。后处理的目的是有效地观察和分析流动计算结果。随着计算机和图形技术的发展，软件的中的可视化功能愈来愈强大。它包括：计算域的几何区域及网格的7天津大学硕士学位论文天津大学硕士学位论文第一章文献综述显示；矢量图；等值线；强大的图形流动可视化和动画功能。为了完成CFD计算，过去多是用户自己编写计算程序，但由于CFD的复杂性及计算机条件的多样性，使得用户各自的应用程序往往缺乏通用性，而CFD本身又有其鲜明的系统性和规律性，比较适合于制成通用的商业软件。1981年以来，出现了如PHOENICS、CFX、STAR．CD、FIDIP、FLUENT等多个商用CFD软件，这些软件显著特点是：功能全面、适用性强：具有比较易用的前后处理系统和与其他CAD及CFD软件的接口能力；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，包括并行环境下运行。伴随计算机技术的快速发展，这些商业软件在工程设计及优化方面将发挥越来越大的作用。1．3．2CFD处理搅拌设备转动的方法从数值模拟的观点来说，模拟搅拌设备所面临的挑战是由于搅拌桨的转动，从而由槽壁、挡板、搅拌桨和搅拌轴等围出的流动域是随时间变化的。为了解决运动部件和静止部件之间的相互作用，许多研究者提出了各自不同的解决办法，这个过程就是搅拌反应器内CFD技术不断发展、完善的过程。早期的数值模拟uoJ中都是将搅拌桨区域排除在求解域之外，代之以控制体积上的边界条件即通过在整个控制体积上引入源项或者忽略搅拌桨的整个几何外形而用实验数据指定边界条件来说明搅拌桨的作用，这种方法就是“黑箱”模型。“黑箱’’方法受到了可用实验数据的限制。这种方法不能用于多种可选择的搅拌器配置的流场模拟。对于多相流，这种方法却因为不能获得准确的搅拌桨边界条件而变得不可行，更重要的是这种方法不能捕捉叶片之间的流动细节，而这种细节对于搅拌釜反应混合和多相流的数值模拟是必需的。为了克服这些限制，先后又提出了五种不同的模型11】：内外迭代(IO)、多重参考坐标(MRF)、闪照法(SA)、运动网格模型(MG)、滑移网格模型(SG)，前三种为稳态方法，后二种为非稳态方法。(1) “黑箱”模型法从CFD应用于搅拌槽开始， “黑箱"模型法的应用一直很普遍。Harven／12】(1982)首先采用“黑箱”模型法计算了涡轮搅拌桨的二维流动场，并与实验数据作了对比，取得了一定成功。Middleton[13】(1986)首先报道了搅拌槽内三维流动场的数值模拟，除了进行流动计算外，还模拟了一个连续一竞争反应体系。利用30L与900L的两个几何相似的搅拌槽证明了按传统的放大准则会造成产品产率的下降。Ranade¨钏(1989)模拟了轴向流的斜叶涡轮桨的流动场，边界条件是在桨叶下缘扫过的区域指定轴向和切向速度，以及湍流动能和耗散率。Fokema[”】(1994)利用商业软件FLOW3D计算了斜叶涡轮桨的流动场，采用2套不同离8天津大学硕士学位论文天津大学硕士学位论文第一章文献综述底距离的实验数据为边界条件进行了计算，同时考察了2套边界条件数据交叉使用所产生的影响，结果发现边界条件对计算结果有严重影响。因此，他们指出，不存在通用的桨叶边界条件，即l套桨叶区边界条件只能用于和该条件几何相似的体系。“黑箱”模型法曾经对搅拌槽内流动场的研究产生过重要作用，但是从上面的分析会发现“黑箱”模型法存在很大缺陷：边界条件的确定一般离不开实验数据；而且一套桨叶区边界条件只能用于与实验条件几何相似的体系。(2)内外迭代法Brucato[嘲(1994)借助“黑箱’’模型成功的经验，提出了“内外迭代法”，‘将计算域分成内环和外环两个重叠的部分，内环包括旋的桨叶，外环包括静止挡板等。Brueato【17】(1998)利用内外迭代法研究了网格数对单层直叶涡轮搅拌桨流动的影响，并与“黑箱”模型的计算结果进行了比较。通过功率准数的比较发现，内外迭代法要比“黑箱”模型法对网格更敏感，在细网格情况下，2种方法的计算结果相差只有5％。对桨叶边缘轴向速度的预报两者也非常接近，只有3％的差距，但对近壁区域轴向最大速度的预报，内外迭代法要比“黑箱”模型法高约30％一35％。Micale[18](1999)利用内外迭代法计算了不同桨间距下双层直叶涡轮搅拌桨的流场，并与“黑箱”模型和滑移网格法的计算结果进行了比较，内外迭代法与滑移网格法均能够成功预三种不同的流动形式，计算合并流和分支流这两型时，内外迭代法得到收敛结果要比滑移网格法快。内外迭代法比起“黑箱“模型法有了很大进步，不再实验数据，实现了搅拌槽流动场的整体模拟，而且对某些搅拌桨流动场的计算了成功，证明这种方法完全可以用于搅拌槽流动场的计算。但这种方法在计算然需要试差迭代，收敛速度较慢，而且这种方法没有被商业软件采用，在一定上限制了该方法的普及应用。(3)多重参考系法多重参考系法是Luo【l9】(1994)提出的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2个参考系分别进行计算，桨叶所在区域是以桨叶速度旋转的参考系，其他区域使用静止参考系，用来计算叶轮区以外的流动场。多重参考系法划分的两个区域没有重叠的部分，不再需要内外迭代过程，两个不同区域内速度的匹配直接通过在交界面上的转换来实现，因而使计算变得更加简单。Dong【2川(1994)用标准k吨模型计算了无挡板搅拌槽内八叶平板涡轮的三维流动特性，计算结果与实验数据吻合较好，但在湍动强度较高的桨叶排出流区，计算值与实验值有一定差异，他们将这种差异归结为标准k-￡模型的缺陷所致。Weetman[2玎(1997)利用该方法计算了∞：lO搅拌桨的流动场。Naude【221(1998)采用FLUENT软件，非结构化网格计算了一种轴向流搅拌桨LUMPPLB(LUMPPS．A．，Genay,France)的流动场。在计算中发现，仅对确定的1个桨叶一挡9天津大学硕士学位论文天津大学硕士学位论文第一章文献综述板的相对位置进行计算时，桨叶区流动场的计算是准确的；如果需要有关桨叶与挡板相互作用的更详尽的信息，就需要计算不同桨叶与挡板相对位置的情况，以一系列不同位置的计算来近似搅拌器的转动过程。L锄e【23】(2000)通过用户接口程序在CFX4．2软件上加人了MRF方法，并与软件具有的滑移网格法进行了计算比较。通过对时均速度、湍流动能和耗散率的比较发现，两种方法所得到的结果基本一致，但是MRF方法的计算量却要小得多。在同样的计算条件下，MRF方法的计算量却要小得多，比滑移网格法的计算量小约一个数量级，因而更适合于计算量较大的多相流动的计算。 ：(4)闪照法旋转叶片和静止挡板之间的作用生成了一个固有的非稳态流动。一旦流动充分发展了，流动流图也开始变得循环。因此流动的一个快照可以描述在特殊时刻叶片之间的流动。Ranade和VandenAkke一24】发展了快照法。由于叶轮生成的流动主要由叶轮旋转生成的压力和离心力来控制。压力引起了叶片后流体的吸入，同样也引起了叶片前的排出。在快照法内，吸入和排出可以通过在叶片前后分别指定质量源项和汇项来实现。质量源项与质量汇项是反号的，向内的运动没有添加任何相应的源项到其他变量中。将快照法计算结果与实验数据对照表明该法对单相流模拟无论是在定性还是定量上都较为成功【25】。(5)滑移网格法滑移网格法由Luo【2卅(1993)提出，这种方法与多重参考系法网格划分方法相同，将计算域分成分别包括旋转的桨叶和静止的挡板两个区域，但滑移网格法，在两个区域交界面处有网格之间的相对滑动。搅拌釜内求解全部时间变化流动的计算需求同稳态模拟相比要高一个数量级。在早期，这种方法由于计算需求过多；所以用于模拟计算的计算单元数目较少，使得预测的流动特性，如湍动动能耗散速率、剪切速率等精度比稳态法低。但随着计算机计算能力的日益增强，使得计算足够多的网格数目成为可能。研究表明这种方法在模拟流动细节(如尾涡等现象)上优于稳态法。Murthy[271(1994)提出了同样的计算方法，该方法并已被Fluent软件所采用。Harries[281(1996)利用FLUENT软件计算了六直叶涡轮搅拌桨的流动场，并与“黑箱”模型法和内外迭代法进行了比较。对桨叶下方轴向速度的预报，滑移网格法和“黑箱”模型法的计算结果接近，但是对湍流动能的预报却严重偏、低。Jaworski【2明(1997)用FLUENT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LDA实验结果进行了对比。Brucato[30l(1998)利用FLow3D软件计算了六直叶涡轮的流动场，同时与“黑箱”模型和内外迭代法的计算结果进行了比较和分析。滑移网格法的计算结果要比其他两种方法的计算结果好，但是对叶轮区湍流动能的预报仍然偏低。滑移网格法还存在着计算工作量大，后处10天津大学硕士学位论文天津大学硕士学位论文第一章文献综速理过程复杂的缺陷。Micale【3”(1999)利用滑移网格法成功计算了双层直叶涡轮搅拌桨的三种流动状态。Jaworski【321(2000)利用Fluent软件研究了双层直叶涡轮搅拌桨的混合时间。滑移网格法最大的不足在于计算时需要大量的CPU时间以及复杂的后处理过程，文献中报道的算例多是在大型机或中型机上进行计算的。(6)运动网格模型法 ；运动网格模型、法【33】是使用单一的网格和单参考坐标，与搅拌桨连接在一起的网格单元同桨一起旋转引起网格变形，为瞬时模拟，采用该种模型，原则上是模拟搅拌釜流动最为准确的一种方法。但由于该方法计算很大，计算周期长，而在通常研究的单轴搅拌中，多重参考系法及滑移网格法的应用较为成熟，在流场预测上，特别是平均速度上有出色的一致性。目前使用运动网格模型法模拟计算的报道较少。1．3．3CFD模拟搅拌设备的研究内容(1)流场特性的模拟与验证周国忠等134](2002)尝试利用k-￡模型计算了假塑性流体羧甲基纤维素钠(CMC)水溶液在搅拌槽内(四块挡板，搅拌桨为四斜叶涡轮)的三维流动场，并与粒子成像测速(PIV)法测得的实验结果进行了比较，发现非牛顿流体CMC水溶液的宏观流动场与牛顿流体(水)的流动场有较大差异，主要是主体流动减弱，并在叶端附近形成涡旋流动，主体流动区内的速度分布与PIV测量结果吻合较好。马青山掣35】(2003)应用商业计算流体力学软件CFX对搅拌槽内多层搅拌桨(PTU桨与DT桨)的流场进行了模拟，并与多激光束多普勒振动(LDV)测试结果进行了比较，发现低Re数k一￡模型和代数应力模型能较准确地模拟搅拌槽内的流动场，其中尤以代数应力模型最为准确。饶麒、樊建华等【36】(2004)采用CFX软件模拟计算了四挡板搅拌槽内不同浓度的甘油水溶液在四直叶蜗轮搅拌桨搅拌下的流场，采用数字粒子图像测速仪(DPIv)对搅拌槽内的速度场进行测量，获得了各种转速下搅拌槽内不同位置处的流场，发现蜗轮桨内流体流动呈典型“双循环”型式，随着流体黏度的增大，流体的速度、涡度、循环流量均减小；随着流体黏度的增大，在搅拌槽的顶部和底部流体出现二次流动，形成两个小的漩涡，随着流体黏度的进一步增大，两个小涡强度逐渐减’I小直至消失，搅拌槽的顶部和底部的流体流动呈滞流状态；CFD模拟结果较好的预测了黏性流体的宏观速度场和各个方向的速度分布。MingzhongLi，GraemeWhite[37]等(2004)采用商业软件CFX5．5．1模拟计算了搅拌槽内(搅拌桨为锚型搅拌桨)的流场，采用LDV对搅拌槽内的速度场进行测量，结果表明CFD对搅拌槽内轴向和径向速度的预测非常准确，可是在湍流动能的预测上还有较大的误天津大学硕士学位论文天津大学硕士学位论文第一章文献综述差，这也是得出的关于CFD软件的一般性结论。(2)功率特性的模拟与验证在搅拌设备的设计和放大中，搅拌功率是很重要的参数。早期对功率特性的研究都是通过实验方法测定，王凯等【38】(1989)研究高粘弹性流体的流速分布和剪切率分布，用扭矩传感器和静动态电阻应变仪测定搅拌功率消耗，探索关联粘弹性流体搅拌功率的方法，研究流体的弹性对流速分布和功率消耗的影响。冯连芳等【3明(2000)考察了卧式双轴T型搅拌器在非牛顿流体中的搅拌功率与表观雷诺数(Re)、弗劳德数(Fr)及加料量的变化关系，对实验数据进行关联得到了非牛顿流体搅拌功率准数关联式。近些年随着计算流体力学的发展，用CFD对搅拌设备扭矩、功率进行的模拟计算开始被人们关注。L．Rudolph等【删(2007)通过实验和数值分析探讨了同轴搅拌设备的混合特性，分析讨论了在层流情况下搅拌反应器中牛顿流体和非牛顿流体的功率消耗，商业计算流体力学软件Fluent采用滑动网格法计算三维速度场和功率消耗，计算结果很好地符合了测量结果：(3)混合时间(停留时间)特性的模拟与验证对于搅拌设备的混合特性，间歇操作可用混合时间表示，而对于连续操作可用停留时间表示，对于混合时间和停留时间的研究已进入CFD模拟范围。Chio等【4l】(2004)通过CFD和实验研究了涡轮搅拌槽的停留时间分布，模拟结果与实验结果吻合良好，并准确预测了平均停留时间。闵健等【42】(2005)进行了多层翼形桨搅拌槽内混合时间的大涡模拟(Largeeddysimulations)，实验及模拟结果表明大涡模拟比平均雷诺数Navier-Stokes(RANS)方法更准确。苗一等【43】(2006)利用Fluent模拟计算，讨论了加料点位置和监测点位置对混合时间的影响，发现在桨叶附近区域加料时混合时间比在液体表面加料时的混合时间短，并应尽量在搅拌反应器的桨叶尖端处加料。在测量停留时间的方法上，大多数都选择加入示踪剂的方法，但检测手段不尽相同。(4)传热特性的模拟与验证早期的研究实验的方法更多，伴随简单的数值计算，因为温度的测定相对容易实现。Kuriyam等【删(1981)对螺旋桨搅拌槽的温度分布和传热进行了研究．；Kaminoyama等【45】(1999)对搅拌槽内高粘度流体在使用不同桨型情况下槽壁处的局部表面传热系数进行了数值模拟计算，计算的区域限制在槽壁附近的温度边界层内。BarbaraZakrzewska等【拍】(2004)用CFD模拟了带有夹套的搅拌器(Rushton盘式叶片)的湍流传热，在模拟过程中选用了八种不同的湍流模型，并与实验数据对比，得到了最符合实验结果的湍流模型。(5)传质特性的模拟与验证由于搅拌设备更多用于反应，而传质对于过程的影响很大，所以对传质方面12天津大学硕士学位论文 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述的研究也开始受到人们的重视。MarkoLaakkoncn等f47】(2004)通过各种实验方法对搅拌设备内的气泡破灭和合并，气液传质系数进行了实验测量。EKcrdouss等【4s】(2008)用CFD模拟计算了搅拌设备中气液传质的传质系数，为了消除气泡破灭和合并的影响，选用了总体平衡模型，模拟预测了悬浮的气体的分布，Sauter平均气泡的直径，气液质量传递系数以及流场，模拟结果与实验测量结果吻合良好。1．4搅拌设备内CFD技术发展趋势随着计算机计算能力的不断提高，以及在湍流模型和计算方法等方面的不断完善，尤其是大型通用CFD软件的日趋成熟，CFD方法用于研究搅拌槽内的流动显示出强大的生命力，越来越多的研究者开始关注并涉足CFD领域。1．4．1非结构化网格在CFD研究中，对几何体进行几何建模与网格划分的前处理过程是很重要的。前处理过程耗费的时间一般比较长，特别对于工业的CFD项目，有很大一部分时间是花费在这个过程上的。同时，前处理过程划分的网格还直接影响到以后的解算过程，质量好的网格容易收敛，而质量差的网格就容易发散。随着CFD研究的不断深入，需要解决的问题不再限于简单的几何构型，需要对各种复杂的结构进行研究。然而要对复杂几何构型进行结构化网格划分是非常困难，有时甚至是不可能的。鉴于此，可以采用简化构型的方法使其可以适应结构化网格，这显然不是令人满意的方法。结构化网格在很大程度上限制了CFD的应用。近年来人们逐渐重视研究另一类网格一非结构网格。非结构网格的基本思想基于如下假设：四面体是三维空间最简单的形状，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，因此比结构网格具有更大的灵活性，对复杂外形的适应能力非常强。此外，对于结构网格，在计算域内网格线和平面都应保持连续，并正交于物体边界和相邻的网格线和面，而非结构网格则无此限制，这就消除了网格生成中的一个主要障碍，且其网格中一个点周围的点数和单元数都是不固定的，可以方便地作自适应计算，合理分布网格的疏密，提高计算精度。正因为如此，非结构网格技术在80年代末和90年代初得到了迅速的发展。非结构网格在汽车、航天等领域的应用已经比较广泛。Naude等【4明(1998)应用非结构网格技术利用FLUENT软件计算了一种轴流式搅拌桨(LUMPPLB)的三维流动场，并将计算结果与实验数据进行了比较。计算采用了多重参考系法，由于多重13天津大学硕士学位论文天津大学硕士学位论文第一章文献综述参考系方法是稳态计算，计算中考虑了三种不同的桨叶与挡板的相对位置，对三个计算结果取平均值后再与实验结果进行比较，计算数据与实验结果有较强的一致性。1．4．2多相流的数值模拟与搅拌釜单相流得到广泛研究不同，多相流的研究受到了确定功率消耗、气含率测量、混合时间测量和达到完全均匀或悬浮状态的临界搅拌转速等全局参数的限制，因此仅仅很少的文献报道了局部的参量研究。Pericleous和Patell5川(1987)使用了代数滑移模型模拟了搅拌釜气液流，使用混合特性求解动量输运方程，用一个常数滑移速度来求解一个对流扩散方程来说明气泡的存在，并用气泡浓度来修正混合物密度。Gosmaneta1．【511(1992)使用了黑箱法模拟了搅拌釜气液和液固流。他们使用两流体模型、k-8湍流模型，模拟结果与Revill和Irvinet521(1987)的数据相比所测气含率要低10．50％。他们模拟的液固体系的滑移速度大约为0．04m／s，与粒子沉降速度同数量级。气含率的低估是由于没有模拟聚并和再分散现象。Ranade和VandenAkkerl531(1994)将快照法发展到三维多相流模拟中去，他们像Gosmaneta1．[51L一样使用了两流体模型，但是不像Gosmaneta1．15lJ那样使用了Favreaveraging而是使用了一个雷诺平均方法。尽管Favreaveraging导致了更少的需要封闭的项，但实验技术可以提供给我们雷诺平均信息。不像Gosmaneta1．[5H那样，SA方法不需要在搅拌浆区输入任何实验数据。Ranade和VandenAkker[”】将模拟结果与Rousar和VandenAkke4刊(1994)实验结果进行了比较，结果表明在搅拌浆区预测的轴向速度要高于实验值(最大偏差35-40％)，而在近壁区却低估了。从文献报道来看，快照法在定性预测上很好，而且在不需输入实验数据(除了两流体模型需要输入气泡直径外)情况下在定量上也较为合理。报道的模型也捕捉到了叶片后气体聚集的现象，以及在搅拌桨区域压力的分布，叶片尖端附近气体和液体速度的角度变化情况等。很明显如果适当改进空间分辨率、曳力表达式等，这一模型就可以在验证两项数据等方面有很好的潜力。Lane和Schwarzt551(2002)应用CFX软件模拟了搅拌釜气液两相流。搅拌转速为180rpm，通气量Q=0．00164m3／s。采用3D计算域，用多重参考座标法(MRF)描述搅拌桨和挡板的相对运动，用两流体模型计算流场。考虑了气泡的聚并、破裂。将模拟的结果同实验对比，获得了与实验结论相一致的气体分布，局部气泡大小变化趋势。但是没有从定量上得出相一致的数据。14天津大学硕士学位论文天津大学硕士学位论文第一章文献综述1．4．3大涡模拟和直接数值模拟对湍流问题最真实的描述是直接求解N．一S方程，也即直接数值模拟(DNS)。但受到计算机计算能力的限制，现在还只能计算低雷诺数和有简单几何条件的问题，到解决实际工程问题还有一定距离。现在工业研究中应用最广泛的仍然是求解雷诺时均方程，附以湍流模型封闭雷诺应力项。在众多湍流模型中，k．￡模型的应用是最广泛的。k-￡模型不仅形式简单，而且成功解决了许多复杂流动问题，因此备受工程研究者的喜爱。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准确等。鉴于此，许多研究者开始尝试其它方法用于搅拌槽内三维流动场的研究。其中，大涡模拟是研究的一个前沿领域。大涡模拟方法最早是由气象学家提出的，所研究的问题是全球天气预报问题。后来这种方法被应用于解决工程问题。大涡模拟的基本思想是把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。大尺度量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。它们将通过建立模型来模拟，称为亚格子尺度模型。在一定的意义上，大涡模拟是介于直接数值模拟与一般模式理论之间的折衷物。Eggels(1996)t56】首先将大涡模拟引入搅拌槽。Revstedt(1998)157]利用大涡模拟研究了直叶涡轮搅拌桨的流动场。利用滤波函数对N．S方程进行滤波，用截断误差的方法代替亚格子模型封闭亚格子雷诺应力。搅拌桨叶运动所产生的效应用依时的动量源来表示。计算结果观察到了叶片所产生的尾涡，但对速度的预报与实验结果有差距，主要是由于对桨叶行为的描述不太准确造成的。Bakkert5司(2000)利用FLUENT5提供的大涡模拟方法初步计算了直叶涡轮和斜叶涡轮搅拌桨的流动场。对于搅拌桨叶的运动采用滑移网格法进行处理。计算结果与Myers[明(1997)的PIV实验结果进行了比较，计算结果显示，在不同时刻斜叶涡轮搅拌桨的流场呈现不同的状态，有时是对称的，有时是非对称的。这种流型振荡的频率比桨叶旋转的频率要低得多。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。对直叶涡轮流场中尾涡的预报与实验结果一致。1．5搅拌设备的功率和停留时间特性在搅拌设备的设计和放大中，搅拌功率是很重要的参数。通过对搅拌功率的测量，有助于了解搅拌器内的流动状况，并且搅拌功率还直接与操作费用、产品性能有关。使搅拌连续运转所需要的功率就是搅拌器功率。显然搅拌器功率使搅15天津大学硕士学位论文天津大学硕士学位论文第一章文献综述拌器的几何参数、物料的物性参数和搅拌速度等的函数。搅拌器功率不包括机械传动和轴封部分所消耗的动力。不同的搅拌过程，不同物性、物料量，在完成过程是所需要的动力不同，这是有工艺过程的特性所决定的，不同的搅拌速度和功率获得的工艺效果不同。高粘度流体的搅拌过程中，搅拌设备有很大的动力消耗。影响搅拌功率P的因素有：搅拌桨叶因素(如叶轮直径、叶宽、转速、单个轴上的翅数、叶片宽与桨级数等)，搅拌釜因素(如釜形和釜径、釜长、液深、液含量等)，物料的物性(如液体的密度、粘度)等。停留时间的分布跟流体的轴向流动和混合有密切关系，停留时间曲线的宽度可用来作为轴向流的衡量标准，平推流时停留时间的无因此变量02为0，全混流时，02为1，平推流模型和理想混合模型属于两种理想流动模型。真正的流动状况介于这两中理想模型之间，可以用两种典型的非理想混合模型表示，多级理想混合模型和扩散模型。这些非理想流模型的参数关系：a2=l／N(多级理想混合模型)，02-_--2／Pe(扩散模型)。从而可以通过这三个无因次变量均可衡量混合强度。停留时间的主要影响因素有轴向流动雷诺数、混合雷诺数和粘度等。：1．6本文研究的目的及内容高粘度、高凝固点、强热敏性的物系的分离纯化是当前分离过程中的难题，常规的再沸器条件下，该类物系往往存在着流动性差、部分物料容易滞留在换热管间、塔釜温度高、停留时间过长、局部过热而碳化或膨化现象加剧和传热性差等问题，适用于高粘度、高凝固点、强热敏性物料的新型再沸器亟待开发。本文旨在针对自主开发新型再沸器中的卧式搅拌装置进行模拟研究和设计过程分析；通过商业软件Fluent的模拟计算，考察各因素对于再沸器性能的影响，优化设备的结构与操作条件。本文的主要工作内容如下：1．通过对卧式双轴搅拌设备结构进行运动关系的几何分析和SolidWorksCOSMOS运动干涉检验，建立合理的三维模型，并通过非结构网格技术对几何模型进行网格划分，优化网格结构。2．在半釜持液量情况下，通过动网格及非稳态模拟技术，模拟计算卧式双轴搅拌装置在不同物料粘度、液相流速，搅拌轴转速下的流场特性及功率特性。3．本文所研究的再沸器适用于高粘度、强热敏性流体，热敏性流体的热敏性其实就是一个化学反应过程，主要受温度和停留时间分布的影响。所以研究该搅拌装置的停留时间分布也是本课题的重要内容。在半釜持液量情况下，通过动网格及非稳态模拟技术，计算和分析卧式双轴搅拌装置在不同物料粘度的停留时16天津大学硕士学位论文 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述间特性。4．探索在卧式双轴搅拌设备的模拟过程中较好的计算方法和模型，优化卧式搅拌设备的结构。17天津大学硕士学位论文天津大学硕士学位论文第二章D-T型双轴卧式搅拌装置的模型建立与计算方法第二章D．T型双轴卧式搅拌装置的模型建立与计算方法应用计算流体力学方法对设备中流体进行模拟，过程分为几何建模、网格生成、物理建模、数值求解以及结果显示等主要步骤。商业CFD软件的结构也是按这些内容和步骤设计的。本文应用的商业软件Fluent由三个部分组成：前处理器Gambit2．3．16、求解器Fluent6．3．26和后处理器Tecplot。前处理器Gambit用于绘制设备的几何计算区域、生成网格和设定求解过程中所需要的初步条件，即为求解器定义初步参数。这一部分需要投入的时间和精力较多，也是模拟计算过程的一个关键步骤。前处理过程的工作有：定义模拟计算区域，对定义的模拟计算区域进行网格划分，定义流体的物性，确定计算的边界条件和初始条件。通常网格的质量能直接影响到计算结果的准确性，一般说来，网格数目越多，计算越精确，同时计算时间和所需要的内存要求也越高。所以在实际数值模拟中，需要找到一个可行性和准确性的平衡点。理想的方法是对不同的区域采用不同的网格，速度变化快或问题比较关心的计算区域采用精细的网’格，而速度变化慢的区域或主体区域则可以采用相对粗糙的网格。求解器是在前处理的基础上，对边界条件、初始条件、物性、计算方法等进行更严格的定义，并对方程进行求解。求解过程涉及的内容很多，选择不同的算法、设定松弛因子等参数，通过这些步骤，从而得到最适合求解问题的计算模型，使求解计算更快速更准确，并使模拟结果尽可能接近于实际情况。后处理对模拟计算结果进行输出。随着计算机技术，特别是图形技术的发展，计算结果的可视化功能越来越强大。包括：计算域网格的显示，不同截面、区域的矢量图，等值线、等值面图，流线可视化功能等，并且有多样化和方便化的文件输出形式。2．1SolidWorks构建几何结构模型由于所研究的卧式双轴搅拌设备内部结构的复杂，在GamUt中难以直接构建其三维结构，所以在该模拟计算的几何模型的建立中选择通过SolidWorks构造卧式双轴搅拌设备的基本几何结构。SolidWorks是一种主流的三维CAD绘图软件，提供强大三维绘图功能，同时操作简单方便。用SolidWorks构建三维实体模型具有很强的直观性，通过草图的绘制，对草图绘制平面结构进行拉伸、旋转、薄壁特征、高级抽壳等操作来实现三维结构的绘制。对于一个复杂结构的绘制，可以有很多种方式，而所研究的卧式双轴搅拌设备其结构复杂、同时对称性较强，及相同的局部结构较多，所以将复杂的再沸器分解成一个个部件，通过草18天津大学硕士学位论文 天津大学硕士学位论文 第二章D—T型双轴卧式搅拌装置的模型建立与计算方法图绘制，拉伸抽壳等方法获得卧式双轴搅拌设备的部件图，通过点线面的垂直、平行、相交等相对位置关系的定义，从而装配成如图2．1所示的结构图。图2一lD．T型双轴卧式搅拌装置结构图Fig2-lTheinnerstructureofhorizontalbiaxialagitatedtank由于所研究的卧式双轴搅拌设备的模拟计算区域为外壁与搅拌结构中间的空白区域，即该空白区域是划分网格进而进行流体计算的区域，所以在用SolidWorks构建三维实体几何模型时并不需要绘制外壁，主要是构建内部的搅拌结构。将在SolidWorks构建的图形用ACIS文件形式导出。通过SolidWorks构造基本的结构模型以ACIS文件形式导入Gambit中，通过定义零时坐标的方法确定导入的结构模型相对于Gambit中原始坐标的位置，然后通过平移、旋转等操作，将结构模型移动到适合进行操作的位置。此后绘制圆柱体，通过分离、合并、剪切等方法绘制如图2-2所示的卧式双轴搅拌设备模型。实心搅拌结构以外的区域为模拟计算区域，搅拌结构的表面以及外壁面均定义为Wall。在此绘图过程中，可以通过让搅拌轴及清理轴按1：4转速绕各自中心轴旋转，进而去观察验证搅拌轴及清理轴的搅拌翅和推进叶片在转动过程中是否会出现干涉(即转动过程中发生碰撞)。搅拌轴的直径为44ram，两搅拌轴的轴心距为104ram，搅拌翅顶端距轴心的距离为76ram，搅拌槽的直径是160ram，槽长为210ram。翅数少的轴定义为清理轴，翅数多的轴定义为搅拌轴。19天津大学硕士学位论文天津大学硕士学位论文第二章D．T型双轴卧式搅拌装置的模型建立与计算方法搅打轴清理轴图2．2D-T型双轴卧式搅拌装置的几何结构模型Fig2-2Geometrymodelofhorizontalbiaxialagitatedtank2．2网格生成FLUENT可以输入各种类型，各种来源的网格。可以通过各种手段对网格进行修改，如：转换和调解节点坐标系，对并行处理划分单元，在计算区域内对单元重新排序以减少带宽以及合并和分割区域等。也可以获取网格的诊断信息，包括内存的使用与简化，网格的拓扑结构，解域的信息。你可以在网格中确定节点、表面以及单元的个数，并决定计算区域内单元体积的最大值和最小值，检查每一单元内适当的节点数。FLUENT在二维问题中可以使用由三角形、四边形或混合单元组成的网格，在三维问题中可以使用四面体，六面体，金字塔形以及楔形单元，或者两种单元的混合。网格的选择依赖于具体的问题，在选择网格的时候，你应该考虑下列问题：初始化的时间、计算花费、数值耗散。本次模拟中搅拌结构是转动的，外壁是静止的，由前人的研究可知，在处理这样的模型时，通常可以采用多重参考系法及滑移网格法，要求把模型分为两部分，即相对转动区域和静止区域，一般会将搅拌结构附近的区域定义为相对转动区域、远离搅拌结构靠近外壁的区域定义为静止区域，这二种方法在以前的研究中获得了较好的效果。可是前人通过这二种方法研究的大多为单轴搅拌设备，未有研究双轴结构的报道。而本文研究的双轴结构，搅拌轴与清理轴的搅拌翅及推进叶片在搅拌过程中相互交叉，不断地进入对方转动的区域内，这样使得相对转动区域和静止区域的界定变得非常困难，同时双轴的中心轴不在一条线上，并且转动方向及速度均不同，这些情况使得多重参考系法及滑移网格法不再适用。所以本文模拟过程中直接使用运动网格技术，不再将模拟区域分为相对转动区域和静止区域，而直接把整个模拟区域当作一个整体。天津大学硕士学位论文天津大学硕士学位论文第二章D-T型双轴卧式搅拌装置的模型建立与计算方法网格分为结构网格和非结构网格两大类，通常对复杂的几何区域，结构网格是分块构造的，从而形成块结构网格。对不同的区域采用不同的网格形式或网格大小，对重要的计算区域采用精细的网格，而速度变化慢的区域或主体区域则采用相对粗糙的网格。这是人们在考虑了初始化时间、计算花费、数值耗散等因素后通常的选择。如图2-3所示的两个例子。 i本文模拟的模型结构在计算过程中随着搅拌轴和清理轴的转动发生变化，搅拌轴和清理轴上的搅拌翅与推进叶片会进入整个模拟区域的绝大部分空间，这就使得结构网格和块结构网格在此也均不适用，所以采用非结构网格技术。乱降落伞的零厚度壁面模拟 b．机翼的四边形结构网格&Gridsofbailoutwall、析mthickness b．Structuredgridsofaircraftwing图2-3不同的区域采用不同的网格示例Fig2·3Examplesofvariousmeshingindifferentsituation一个模型的网格划分过程，主要是确定网格单元形状、网格化方法和单元网格尺寸。通常采用的网格单元形状有几下几种：Hex：网格划分只使用六面体单元网格；Hex／wedge：网格主要由六面体单元组成，必要时可以加入楔型网格单元；Tet／Hybrid：网格主要由四面体单元组成，但必要时可以加入六面体、锥体等网格单元。通常采用的网格化方法有：Map：采用结构化网格对体进行网格化iSubmap：对于不能用Map方法来进行网格划分的区域进行分割，使其在每个独立的区域内均可以采用Map方法进行网格划分；TetPrimitive：此方法是对四面体而言的，把此四面体划分为四个六面体后分别在其内部进行网格化；Cooper：此方法的前提是待网格划分的体必须能够看作是“逻辑圆柱体’’，即必须有上下底面和一个逻辑上底柱面。Tet／Hybrid：在网格划分的时候主要采用四面体单元网格，必要时