基于PIV和CFD的搅拌桨设计和改进

【摘要】对于搅拌反应器的选型和设计主要依靠一些经验手段,尚未形成完整的理论体系。计算流体力学(CFD)能够模拟计算搅拌槽内的三维流场,获得流场随搅拌叶轮和搅拌槽的构型、尺寸和操作条件的变化,但是湍流模型或本构方程的不准确性以及计算结果对网格的依赖性,CFD模拟结果的可信度有待提高。粒子成像测速(PIV)测量技术可以准确获得搅拌槽中丰富的信息,如时均或瞬时速度、动能耗散速率、剪切速率等,进一步得到循环流量、平均剪切速率、搅拌功率、混合时间等宏观信息,但是PIV实验条件苛刻,要求流体透明,欲获得全槽流动信息,实验工作量大。本论文基于PIV实验对CFD模拟结果的验证,采用CFD模拟方法获得搅拌槽内的速度场、剪切速率场和湍流动能等微观信息,以及搅拌功率、循环流量、混合过程等宏观性能,对叶片形状和内部构件进行设计和改进,进而开发高效节能轴流桨和宽粘度域搅拌桨。(1)基于微观流动和宏观性能的分析,揭示了轴流桨叶片几何结构与流动特性的关系,为高效轴流桨的设计和改进提供指导。通过速度和湍流动能的PIV实验值和CFD模拟值的定量对比,发现标准k-ε流模型能够准确预测完全湍流条件下斜叶桨的流型结构,对径向与轴向速度预测较为准确,但对桨叶附近湍流动能预测偏低。从微观角度考察叶片形状对局部流动的影响,结果表明,标准斜叶桨迎液面区动能耗散速率远高于其它位置,将迎液面90°拐角裁剪成弧状导边形状可以有效降低能量耗散速率,增加叶片背液面面积会提高轴向流量。(2)基于SSTk-ω模型和滑移网格方法相耦合的CFD过渡流模型与PIV实验相结合的方法,揭示厂中心菱形挡板对双螺带桨流动特性的影响规律。在层流域,中心菱形挡板对双螺带桨的流型影响较小；在过渡流域,对于无挡板结构,在螺带附近出现围绕桨叶的循环,同时在螺带下部产生二次回流,内置菱形挡板后桨叶下方的二次流消失,搅拌槽内形成全局流动。中心菱形挡板与普通贴壁挡板对流体流动产生的作用一致,均可削弱切向流动,强化径向和轴向流动。增加中心挡板扩展了双螺带桨适用的流域范围,在层流和过渡流域均能达到较好的混合效率,因此合理地设计内部构件是搅拌过程改进的一条有效途径。(3)设计和改进了适用于较宽雷诺数范围的断螺带桨,其混合效率高于双螺带桨。模拟和实验结果表明,在层流域,断螺带桨的内外叶片分别把流体向相反方向推动,相邻叶片之间的流动能够有效衔接,形成类似于双螺带桨的全局流动。在过渡流域形成内外双循环流动模式。相对于双螺带桨,断螺带桨内侧叶片能够加强槽中心区域的剪切作用,使全槽剪切速率分布更加均匀。内层叶片直径对流动特性影响较小,层间距是实现搅拌槽内物料整体循环与混合的关键。尺寸改进后的断螺带桨的单位体积混合能比双螺带减少了20%以上。
【作者】葛春艳；
【导师】王嘉骏；冯连芳；
【作者基本信息】浙江大学，化学工程，2014，硕士
【关键词】搅拌槽；粒子成像测速仪；计算流体力学；流场；混合；

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