涡轮桨搅拌槽流动场数值模拟

在旋转坐标系下 ,采用k-ε湍流模型模拟了两个时间瞬间六直叶涡轮搅拌槽内流体流动状态 ,模型成功地再现了六直叶涡轮搅拌槽内“双循环”流动形式 .模拟结果表明当桨叶离底距离C/T =0 .16 7时 ,槽体内流动从径向流动转化为轴向流动 .模拟计算搅拌功率准数及桨叶排出流量准数与实验结果相差很小 ,数值模拟速度分布与实验测量结果吻合较好 ,且预测速度数值明显优于“黑箱”模拟方法     

改进型INTER-MIG搅拌槽内固液悬浮特性的数值模拟

应用CFD软件Fluent 12.0和并行计算机工作站对双层改进型INTER-MIG桨式搅拌槽内的固液悬浮特性、临界离底悬浮转速及功率消耗进行数值模拟,分析了在固体体积分数as=30%下,转速n、桨叶离底距离C1和桨间距C2等因素对搅拌槽内颗粒悬浮特性的影响. 结果表明,在一定的转速和桨径下,改变C1和C2会改变流场的局部结构,选取适合的C1和C2可使固液混合更均匀,有利于颗粒悬浮和整个搅拌槽传质传热的进行. 最佳桨叶离底高度与槽径比为0.36,最佳桨叶间距与槽径比为0.44;在该最佳工况下临界离底悬浮转速Njs=118.3 r/min;得到既能达到完全离底悬浮、又能使搅拌功耗最小的最佳转速为n=124 r/min.     

双层翼型桨搅拌槽内流动特性的PIV研究

在直径0.476 m的搅拌槽内,采用粒子图像测速技术对双层三叶CBY翼型桨搅拌槽内的流场进行了研究,考察了层间距、浸没深度和离底高度等参数对流场分布的影响. 结果表明,层间距H2≤0.6T(T为搅拌槽直径)时,槽内可形成整体的轴向循环流动,H2≥0.7T时槽内将产生分区流动现象. 浸没深度对桨叶排出流区域的速度影响很小. 降低下层桨的离底高度能加强下层桨的径向流动,并增大上层桨叶轮区和循环区流体的轴向流动.     

改进Intermig桨种分槽搅拌性能的数值模拟

利用商业CFD软件Fluent 12.0和并行计算系统图形工作站,对改进的Intermig桨种分槽内部流场进行了三维数值解析.采用Realizable κ-ω流模型和欧拉-欧拉多相流模型对槽内不同桨叶离底距离C、桨叶直径D下的氢氧化铝颗粒悬浮规律以及搅拌桨功率消耗进行了模拟.结果显示,搅拌转速一定的条件下,桨叶直径越大...     

磷酸陈化槽内桨叶高度对颗粒悬浮特性影响的数值模拟

以磷酸陈化槽为研究对象,使用计算流体力学软件FLUENT对陈化槽内的磷石膏固体颗粒的悬浮特性进行了数值模拟,模拟结果表明在高搅拌转速条件下,过大或过小的桨叶离底高度都不利于颗粒悬浮,搅拌功率随着桨叶的离底距离先增大,然后趋于稳定,但是离底距离对搅拌功率的影响较小,可以忽略不计,结合搅拌槽内固相的浓度分布情况,得出相对最好的桨叶离底距离为陈化槽直径的0.33倍。     

改进型INTER-MIG桨种分槽内混合过程的实验研究及大涡模拟

采用褪色实验法和数值模拟相结合的方法对双层改进型INTER-MIG桨种分槽内的混合过程进行研究,用高速相机记录实验中种分槽内的混合过程,结合大涡模型(LES)及动态Smagorinsky–Lilly模式亚格子模型求解湍流流动及示踪剂传递过程.结果表明,在近液面处加料时LES预测的混合过程与实验吻合,示踪剂呈螺旋状扩散,但预测的混合时间偏大;最佳加料点位于下层桨叶附近区域,其混合效率比在近液面处加料高17.16%;槽体中部区域监测到的混合时间最小,并分别向槽顶和槽底方向增大;改进型INTER-MIG桨种分槽槽底区域是混合困难区域.     

双层桨搅拌槽内部流场的实验研究

运用计算流体动力学（CFD）方法对双层桨搅拌槽内部流场进行数值模拟。考察了流体在不同桨叶类型、不同桨叶间距对搅拌槽内宏观流动场的影响。研究发现：流体在桨叶间距为150 mm的双层桨内部流场流动效果好。在此间距的基础上得出流体在六圆盘上斜叶桨的搅拌槽内比六圆盘直叶桨搅拌槽内混合效果好。     

分子筛浆化罐采用摆动式搅拌器混合过程的数值模拟

对提高分子筛浆化罐混合效率而自行设计的摆动式搅拌槽试验装置进行了数值模拟.得到了不同加料位置和监测点处的混合时间数据.然后运用混合效率数这一指标对摆动式搅拌的混合效率进行了评定.结果表明:摆动搅拌混合效率视加料位置而定,自由液面处加料时要比六直叶圆盘涡轮桨的混合效率高,而桨叶下方加料时混合效率却要低;与三窄叶翼形搅拌桨相比,两种加料位置时的混合效率都要低.     

轴流式搅拌桨搅拌槽内混合时间的数值模拟

利用计算流体力学软件FLUENT 6.0程序计算了单层CBY搅拌槽内流体混合过程的速度场和浓度场,讨论了加料点位置和监测点位置对混合时间的影响。结果表明,拌槽内物料的混合过程主要由槽内的流体流动所控制;混合时间与加料点位置有关,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,应尽量在搅拌反应器的桨叶尖端处加料;不同的监测点位置对混合时间有很大的影响,在靠近槽底部进行监测所得到的混合时间最短。     

涡轮桨直径对锥盘底搅拌槽固液混合特性影响

利用CFD技术对锥盘底搅拌槽内的固液两相流混合浓度场进行数值模拟研究,考察了45°圆盘涡轮式搅拌桨直径d对固液混合时间数,单位体积混合能,浓度标准差,湍动能和湍动耗散率,和固相离底悬浮临界转速的影响。研究表明:随着搅拌桨直径的增大,搅拌槽内的流体由轴向流转变为径向流的流型转变高度逐渐减小。桨径比d/D大于0.3时,混合时间数显著减小;d/D小于0.4时,单位体积混合能较小;d/D达到1/3时,单位体积混合能最小。浓度标准差随搅拌桨直径的变化波动较小。d/D小于0.4时,湍动耗散率的增长率较低;d/D大于0.3时,固相离底悬浮临界转速显著减小。从提高混合效率和降低能耗的综合角度考虑,桨径比d/D应控制在0.3—0.4之间。     

无挡板搅拌槽中液－固体系的分散特性

在内径0.3 m、高0.45 m的无挡板搅拌槽内,采用直径0.15 m的三叶70o下推斜叶透平桨(PBTD, Pitched Blade Turbine Downflow)进行水-二氧化硅两相体系液固分散特性的研究. 应用PC-6A粉体浓度测量仪对体系中颗粒局部浓度进行测定. 考察了颗粒平均相含率为0.005的条件下,不同搅拌转速、搅拌桨离底高度对颗粒局部浓度分布的影响. 结果表明,采用较高搅拌转速、较低的搅拌桨离底高度有利于固体颗粒的悬浮. 本实验中,在搅拌转速为173 r/min、搅拌桨离底高度为0.08 m的操作条件下,颗粒悬浮效果最好.     

板式螺旋桨搅拌槽内的流场及其流动特性

以板式螺旋桨叶轮为例,采用相位多普勒粒子分析仪测量了直径为300 mm的平底圆筒搅拌槽内的流场;分析了时均速度、脉动速度及湍流动能的分布,以及叶轮离底间隙变化和挡板对流场的影响。结果表明:随离底间隙增大,叶轮区脉动速度和湍流动能增大,时均速度和脉动速度最大值位置向槽中心方向移动;主循环区轴向速度最大值随离底间隙增大而减小;叶轮区湍流动能较高,随离底间隙增大,湍流动能最大值增大,位置靠近叶轮端部;挡板阻碍槽内切向流动,影响湍流动能的分布,挡板前流场反映了叶轮区的湍流动能分布。     

CFD study on double-to single-loop flow pattern transition and its influence on macro mixing efficiency in fully baffled tank stirred by a Rushton turbine

For a fully baffled tank stirred by a Rushton turbine(RT), the flow pattern will change from double-to single-loop as the off bottom clearance(C) of the RT decreases from one third of the tank diameter. Such a flow pattern transition as well as its influence on the macro mixing efficiency was investigated via CFD simulation. The transient sliding mesh approach coupled with the standard k-ε turbulence model could correctly and efficiently reproduce the reported critical C range where the flow pattern changes. Simulation results indicated that such a critical C range varied hardly with the impeller rotation speed but decreased significantly with increasing impeller diameter. Small RTs are preferable to generating the single-loop flow pattern. A mechanism of the flow pattern transition was further proposed to explain these phenomena. The discharge stream from the RT deviates downwards from the horizontal direction for small C values; if it meets the tank wall first, the double-loop will form; if it hits the tank bottom first, the single-loop will form. With the flow pattern transition, the mixing time decreased by about 35% at the same power input(P), indicating that the single-loop flow pattern was more efficient than the double-loop to enhance the macro mixing in the tank. A comparison was further made between the single-loop RT and pitched blade turbine(PBT, 45°) from macro mixing perspective. The single-loop RT was found to be less efficient than the PBT and usually required 60% more time to achieve the same level of macro mixing at the same P.     

Non-invasive mixing time estimation in unbaffled stirred tank: An ultrasonic approach

Estimation of mixing time is an essential aspect in characterization of stirred tanks. In this work, we report a novel, non-invasive technique to estimate mixing time in an unbaffled stirred tank using a contact type ultrasonic sensor. Variation in speed of sound in stirred tank is measured by ultrasound and is used to determine the mixing time of solutions. A sensing time of 16.6 ms (~60 Hz) is achieved which leads to an estimation of the mixing process dynamics under forced vortex conditions. The method is validated against colorimetric technique using a dye. The technique is thereafter used to determine mixing time under different operating (impeller speed) and geometrical (impeller design, vessel diameter, and off-bottom clearance) conditions. Though the results presented are specific to unbaffled stirred tank, the method reported is general and can be used in any kind of stirred tank.     

双层刚柔组合搅拌桨调控流体宏观不稳定性行为

流体宏观不稳定性是搅拌槽内流体流动存在大尺度低频非稳态准周期现象,可以影响流体的能量﹑质量的传递行为。为揭示在双层组合桨作用下搅拌槽内流体的非稳态流动规律,实验采用频谱分析和流场可视化技术研究双层组合桨搅拌槽内自来水体系的宏观不稳定性,对比分析了双层刚性桨和双层组合桨对流体混合的影响。结果表明:直径为T的搅拌槽内流体宏观不稳定频率与转速呈线性增大趋势,在转速为180 r·min^-1时离底距离 0.25T刚柔组合桨体系的宏观不稳定性频率消失,出现谱带现象,流场呈现多尺度结构特征,而离底距离为0.33T和0.5T的刚柔组合桨体系的宏观不稳定性频率分别为0.5096 Hz和0.3459 Hz。双层组合桨体系分别使流体的混合时间缩短了22.5%和35%左右,减小离底距离,可使流场的规则区减小。双层刚柔组合桨调控流体宏观不稳定性,强化流体的能量传递行为,从而缩短混合时间,提高了流体的混合效率。     

几种单层桨搅拌槽内宏观混合特性的比较

为了丰富对向心桨的混合特性的认识,比较了向心桨、Rushton桨、三斜叶桨和穿流桨的单层桨搅拌槽内的宏观混合特性,考察了搅拌转速、桨叶离底高度对搅拌槽混合时间和功率特性的影响。结果表明,四种桨的宏观混合时间均随着搅拌转速的增加而减少,搅拌功率均随转速的增加逐渐增大。当转速相同时,四种桨型中Rushton桨的功率消耗最大,三斜叶桨功率消耗最小,向心桨的功率消耗仅仅比三斜叶桨高。桨叶离底高度的变化对四种桨型的混合时间和功率的影响不尽相同。混合效率的影响因素大小顺序为：搅拌转速>桨型>桨叶离底高度。在考察的四种桨型中,向心桨的混合效率最高。研究成果可为向心桨等新型搅拌桨的工业应用积累实验数据,为其优化设计和放大提供理论依据。     

多层新型桨搅拌槽内气-液两相流动的实验与数值模拟

对三层新型组合桨气-液两相搅拌槽内的流体流动进行了实验研究,并采用计算流体力学(CFD)的方法对气-液两相搅拌槽的通气搅拌功率、流场、局部气含率及总体气含率进行了数值模拟,数值模拟采用了欧拉-欧拉方法,数值模拟结果与实验值吻合良好,同时考察了通气流量和搅拌转速对通气搅拌功率和气含率的影响规律. 研究结果表明,欧拉-欧拉方法能较好地模拟搅拌槽内气-液两相流的流动状况.     

三叶后掠-HEDT组合桨搅拌釜内流场的模拟及实验

对应用于聚乙烯聚合反应中的三叶后掠-HEDT组合桨的搅拌釜内流场进行了模拟研究,分析组合桨的离底距C ₁、桨间距C ₂以及转速N的变化对搅拌釜内流场的影响,利用PIV实验对模拟结果进行了验证;将该组合桨与三叶后掠-六直叶圆盘涡轮组合桨进行了模拟对比研究。结果表明：当桨间距与釜内径的比为0.35时,釜内桨叶间的流体流动效果最好,该条件下能够改善搅拌釜上层流体的速度分布;当离底距与釜内径的比值为0.29时,组合桨下方出现了整体的环流,有利于釜底流体的混合;桨叶转速N=90 r/min时釜内流体速度分布均匀,同时上层HEDT桨叶产生的射流方向趋于水平。两种组合桨的对比研究表明：二者流型相近,但前者搅拌功率能够得到明显降低。研究结果可为三叶后掠-HEDT组合桨在聚乙烯聚合反应釜中的工程应用提供参考。     

Numerical Simulation of Macroscopic Mixing in a Rushton Impeller Stirred Tank

The macroscopic mixing in a stirred tank with different tracer injection locations, impeller speeds and impeller positions is simulated numerically by solving the transport equation of the tracer based on the whole flow field in the baffled tank with a Rushton disk turbine numerically resolved using the improved inner-outer iterative procedure. Predicted mixing time is compared well with the literature correlations. The predicted residence time distribution of the stirred tank is very close to the present experimental results. The effect of the installation of a draft tube on the mixing time and residence time distributions is addressed.