搅拌槽内流体力学性能的实验研究与数值模拟

【摘要】搅拌反应器优化设计的核心在于提高搅拌桨的效率,搅拌桨的型式决定了反应器内流体的流动与混合性能。常用于气-液等多相流体系中的传统Rushton桨已逐渐被曲面涡轮桨、宽叶翼型桨等新型桨所替代,并取得较好的效果。然而,目前对于该类新型桨分散气体的机理研究较少,无法有效指导桨叶的进一步优化。为此,本文采用PIV测试技术与CFD模拟相结合的方法,对单层曲面涡轮桨以及涡轮桨与宽叶翼型桨组合的尾涡结构等湍流特性进行了详细研究,并对多层桨的宏观混合特性进行了探讨,为该类搅拌桨型的进一步优化及在多相体系中的应用提供参考。本文首先在直径为0.48m的搅拌槽内,利用PIV测试技术对六直叶涡轮桨(RT)、半圆管涡轮桨(CD)、半椭圆管涡轮桨(HEDT)以及抛物线型涡轮桨(PDT)的尾涡结构、湍流动能等流动特性,分别在相同雷诺数和相同输入功率的条件下进行了实验研究。结果表明：在相同雷诺数条件下,四种涡轮桨叶片后方都存在双尾涡结构,叶片的弯曲,会造成尾涡在到达叶端后停滞一段时间。随着叶片的弯曲,尾涡的直径逐渐减小,强度逐渐增大,叶端附近的湍流动能及耗散率均逐渐降低。在相同输入功率条件下,尾涡结构随叶片曲率的变化规律与相同雷诺数下的情况一致,但由RT桨变为CD桨时,桨区内的湍流动能和耗散率增大,而后随叶片曲率的增大,又逐渐降低。为满足反应器大型化发展的需要,本文在直径为0.48m,液位与槽径比为1.6-1.8条件下的搅拌槽内,研究了以HEDT桨为底桨,以宽叶翼型桨(WH)为中层和顶层桨体系内的流动特性和混合效率,重点考察了桨叶的层间距及操作形式的影响。结果表明：HEDT+2WHU(上提操作)体系内,通过改变桨叶的层间距可以获得三种不同流型,在槽平面内分别具有5、4、3个循环结构,且减小中层桨与顶层桨、以及顶层桨与液面间的距离有利于流体混合均匀,提高混合效率。而将上两层WH桨改为下压式操作,流场中的循环结构只剩下两个,也有利于混合效率的提高,桨叶操作形式的选择需结合气含率等其它因素综合考虑。本文利用大涡模拟的方法,研究了单层涡轮桨及HEDT+2WH多层桨等上述实验体系内的流动特性,并与实验结果进行了对比。结果表明：大涡模型比标准k-ε模型对于复杂叶片及组合桨产生的复杂流场的预测能力更强,但对于网格的形式和质量要求更严格。本文最后利用实验测量与数值模拟相结合的方法,研究了HEDT+2WH搅拌槽内出现的四种流型的混合特性,采用光功率计和褪色法相结合的方式测量了四种流型的混合时间,并用高速相机拍摄了示踪剂的分散过程,同时采用CFD的方法对混合过程进行了模拟。结果表明：示踪剂沿轴向方向依次在每个循环结构中进行扩散,循环个数少的体系内混合时间短。标准k-ε模型不能准确模拟示踪剂的扩散过程,而大涡模型对扩散过程及混合时间的轴向分布模拟均较为准确。
【作者】赵静；
【导师】高正明；
【作者基本信息】北京化工大学，化学工程与技术，2011，博士
【关键词】尾涡；流动特性；曲面涡轮桨；PIV；大涡模拟；多层桨；

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