化工搅拌釜内流动测量技术的应用进展

搅拌釜内的物料混合是一个有限空间中的复杂非定常湍流问题,且常伴有强烈的传质、传热乃至反应过程。搅拌混合过程中影响因素多,理论分析难度大,实验获取搅拌釜内整场流动信息是其机理研究和搅拌混合设备优化设计的重要手段。本文归纳了在搅拌混合研究中传统流动测量技术的应用,分析其各自优缺点,着重探讨了新一代全场光学测速技术——粒子图像速度场仪（PIV）在搅拌混合实验中的应用,指出PIV在搅拌混合研究中具有广泛应用前景。PIV具有很高的空间分辨率和时间解析度,可以得到搅拌釜中混合流体的瞬时2D或3D速度场以及浓度场和温度场等信息,进行非定常湍流特性研究,有助于建立搅拌釜内多相流动模型,验证数值模拟结果,实现搅拌釜的优化设计,从而促进化工搅拌技术的进一步发展。     

双层双折叶三斜叶圆盘涡轮桨釜内流场特性研究

通过计算流体力学(CFD)对双层双折叶三斜叶圆盘涡轮桨搅拌釜内的流场特性进行了模拟研究,分析了组合桨的转速N、离底距离C1及桨间距C2的变化对釜内流场的影响,利用粒子图像测速（PIV）技术对模拟结果进行了验证。研究结果表明：当转速N=100 rpm时,壁面附近的低速区域几乎消失,釜内流体整体速度得到提升及流场速度分布较好。离底距的增大会导致釜内流场的高速区上移,当离底距C1=0.28h时,近液面区域流体流速改善较明显,釜内流场速度分布较为合理。桨间距的提升能改变上下桨叶的配合效果,当桨间距C2=0.25h时釜内混合效果最佳,近液面区域流体流速明显提高,釜内流体整体流速较高。研究结果可为双折叶三斜叶圆盘涡轮桨在实际工程应用中提供参考。     

搅拌釜内流场实验研究与数值模拟的进展

概述了搅拌釜内流场实验研究与数值模拟的进展,介绍了速度场、混合时间、循环流量和温度场的各种测量方法,同时就搅拌釜内流场数值模拟中涉及的各种湍流模型以及旋转桨叶的处理方法进行了对比分析。最后指出传热特性、多相流以及多参数耦合数学模型是搅拌釜研究的重点。     

改进型框式组合桨搅拌釜内流场特性

对5m³树脂反应釜及釜内改进型框式-二斜叶双层组合桨等比例缩小建立模型,基于计算流体力学（CFD）中的多重参考系法对该双层组合桨搅拌釜流场进行了模拟研究,并利用粒子图像测速（PIV）实验对模拟结果进行了验证。分析了桨叶离底间距、桨间距及组合桨安装角度的变化对流场产生的影响。随着离底间距的增大,搅拌釜下层框式桨横梁处产生往槽底的轴向流强度会逐渐减弱,不利于底部物料的混合;桨间距的增加导致两桨间对流减弱,不利于两桨间流体的混合,当桨间距与釜内径的比值为0.77时,搅拌釜内的整体流动情况较好。对上下层桨叶安装角度分别为0°、45°和90°这3种工况下的釜内流场特性研究表明,安装角度为90°时,斜叶桨产生的轴向流强度最大,此时搅拌釜内流体的混合效果最好。研究结果为改进型框式桨与二斜叶桨双层组合桨应用于树脂聚合反应实际工程提供参考。     

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。     

用PIV技术测定双轴搅拌釜的流场

利用 PIV (即粒子图像测速 )来测量双轴搅拌釜的流场 ,并以此分析该搅拌器的搅拌特点和一般规律及适合工况。     

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。     

新型框式组合桨层间距对釜内流场特性的影响

基于计算流体动力学(CFD)中的标准k-ε模型，对新型框式组合桨在釜内的不同层间距下的流动特性进行了模拟分析，并采用粒子成像测速(PIV)技术进行了实验对比研究。研究结果表明：釜内流场以框式桨内小二折叶桨为分界形成向上向下2个循环流；层间距对釜内流动特性影响较大，当层间距从C₂=0.47H增长为C₂=0.49H时，框式桨和近轴附近区域低速区大量消失；当层间距继续增加到C₂=0.53H时，两桨之间的连接流微弱，流体流型开始变得紊乱，低速区面积急剧增大。在4种工况中，层间距C₂=0.49H时整个搅拌釜内流场特性最有利于釜内物料的混合。研究结果可为新型框式组合桨在聚酯合成工业实际工程生产中提供相关参考。     

搅拌釜内液-液混合溶析沉淀法制备纳米姜黄素颗粒

研究了在搅拌釜内利用溶析沉淀法制备姜黄素纳米颗粒的过程,分别探讨了搅拌釜尺寸、搅拌形式、初始浓度以及搅拌转速对制备结果的影响。通过平面激光诱导荧光技术定量测量釜内液液混合行为,揭示了流体混合环境的控制是决定溶析沉淀产品过程的关键因素。实验表明,搅拌速度过低无法保证流体混合效率,将导致颗粒黏结;搅拌速度过高带来颗粒与流场的强剪切作用,引起颗粒破碎;局部过饱和度过大,引起颗粒的生长和聚团。搅拌釜内纳米颗粒制备需提供适度强化的流体混合环境。     

搅拌釜流场测试系统的开发

针对搅拌釜流场研究的需要,研究开发了基于粒子图像测速技术的搅拌釜流场测试系统,并用该测试系统对自行设计的搅拌釜流场进行了测定。     

Validation of CFD simulations of a stirred tank using particle image velocimetry data

Methods for validating CFD simulations based on the Reynolds Average Navier-Stokes equation (RANS) against Particle Image Velocimetry (PIV) measurements are investigated and applied to one of the most common problems in the chemical process industry — the prediction of flow field in a stirred vessel. A total of 1024 sequential instantaneous 2D velocity fields along the central axial plane of a stirred vessel with a P-4 axial impeller are obtained through PIV measurement. From the PIV data, the mean velocity, turbulent kinetic energy, Reynolds stresses and dissipation rate fields are extracted. By introducing several tools to quantify the similarities and differences between two-dimensional fields, CFD predictions of the flow field are validated against PIV data. Furthermore, using PIV and LDV data, the effect of boundary conditions on CFD simulation results is examined. The effect of different Reynolds stress closures on the flow prediction is also studied.     

Experimental and Numerical Studies of the Flow Field in a Stirred Tank Equipped with Multiple Side‐Entering Agitators

The flow field and the macro‐mixing process in a stirred tank equipped with four side‐entering agitators were investigated experimentally and numerically. Experiments were conducted using two‐dimensional particle image velocimetry (PIV) measurements to characterize the flow field at different positions in the vessel. The computational fluid dynamics (CFD) simulation was performed by the software Fluent 6.3, using the standard k‐ϵ turbulent model and the multiple reference frame together with the sliding mesh technique. The macro‐mixing process was also discussed using CFD and decolorization experiments. The effects of the tracer detection positions and some mounting parameters in the mixing system were discussed. The results show that the mixing process was dominated by the flow field pattern in the stirred tank. According to the mixing times under different conditions using CFD simulation, the mounting parameters including inclination angle, plunging length and mounting height of the shaft were optimized.     

几种框式桨搅拌槽内流动特性的比较研究

用粒子成像测速（PIV）技术对传统框式桨、传统框式组合桨和新型框式组合桨的流动特性进行研究,对比了三种框式桨在相同工况下搅拌槽内的速度、流型和湍动能。结果表明：传统框式桨搅拌槽内流体流动以水平环流为主,在框式桨上方和框式桨中间区域流体流动不充分;传统框式组合桨搅拌槽内框式桨上方由于二折叶桨的作用使得框式桨上部流体流速变大,槽内流体上下部的流动得到加强,但在框式桨中心区域依旧存在流动死区;新型框式组合桨搅拌槽内两层桨叶间的连接流得到了加强,框式桨底部和中间区域物质和能量的交换更加充分。在考察的三种框式桨中,新型框式组合桨的混合效果更好。研究结果可为新型框式组合桨应用于化工合成工业中提供参考。     

刚-柔组合搅拌桨强化流体混沌混合

合理设计搅拌反应器的桨叶,强化流体流动与混合行为,是实现流体高效、节能混合的重要手段。柔性体与刚性体组合,可设计出具有多体运动行为的刚-柔组合搅拌桨。结合PIV流场观测和CFD模拟,对比分析了刚性桨和刚-柔组合桨对流场结构及流体混沌混合行为的影响。结果表明,与刚性搅拌桨相比,刚-柔组合桨的柔性端强化能量传递,流体流速衰减速率降低25%,有利于搅拌桨输入能量在流场结构内的有效分配。传统刚性六凹叶和六直叶涡轮桨搅拌反应器内流体形成的流线结构具有明显的周期吸引子,其时均流场的分形维数分别为1.9046和1.9138。刚-柔组合六直叶涡轮桨搅拌反应器内流体流线呈明显的准周期性吸引子性质,其流场分形维数为1.9337,而刚-柔组合六凹叶涡轮桨搅拌反应器内流体流线具有典型的混沌吸引子性质,其流场分形维数为1.9545。刚-柔组合搅拌桨可改变流体流线的吸引子来调控流场的多尺度结构,强化流体混沌混合,实现高效节能操作。     

错位六弯叶搅拌槽内假塑性流体的混合特性

在直径为0.21 m的搅拌槽内,使用FLUENT?软件对错位六弯叶桨的流动场及混合性能进行了数值模拟.工作介质分别选用牛顿流体(水)和假塑性流体1.0%(wt)黄原胶水溶液,计算采用标准κ-ε湍流模型,并将牛顿流体的速度场分布与粒子图像测速仪(PIV)实验结果进行了比较.通过与标准六弯叶桨进行对比分析,阐述了错位桨用于假塑性流体搅拌时在混合速率和混合效率方面的特性.结果表明:速度矢量的计算值与 PIV 实验数据吻合较好,湍流模型的计算结果可靠;混合过程与流场结构密切相关,监测点位置对浓度变化有较大影响.错位六弯叶桨的混合时间数明显小于标准六弯叶桨,混合速率更高,同时错位六弯叶桨的混合效率大大高于标准六弯叶桨,单位体积混合能只有标准六弯叶桨的52%,具有节能功效,体现出错位桨的优越性.     

Determination of Dissipation Rate in Stirred Vessels Through Direct Measurement of Fluctuating Velocity Gradients

2‐D and 3‐D PIV and 4‐channel LDA techniques were employed to measure the turbulence energy dissipation rate in vessels stirred by Rushton impellers. The measurements were made in vessels of diameter T = 100 mm and 294 mm and stirred by impellers of diameter D = T/3. The impellers were rotated at speeds corresponding to Reynolds number of 40,000 to ensure fully‐turbulent flow in the vessels. ? was determined directly from measurements of the Reynolds stress gradients by analyzing the PIV images over interrogation areas down to 0.1 mm. Similar LDA data were obtained in the larger 294 mm vessel, with a resolution of around 50 μm. The fluctuating gradient results obtained with the two techniques compare well and show that direct measurement of the ? distribution is feasible with both PIV and LDA methods.     

激光测速技术及其在化工搅拌流场测量中的应用

介绍了激光测速技术基本原理，比较分析LDA，PDPA，PIV3种代表性激光测速技术的技术进展和应用范围，针对它们在化工搅拌流场测量应用进行了综述，并介绍了激光测速技术在搅拌系统计算流体力学（CFD）模拟中的应用，激光测速技术与CFD的结合将是未来搅拌系统优化与设计的必然趋势。     

T型撞击流混合器内流动特性的PIV研究

采用粒子图像测速技术对入射管直径为3 mm、混合腔直径为16 mm的T型撞击流混合器内的流动特性进行了研究,考察了不同流速比和撞击轴线上方空间条件下混合腔内的速度和湍流动能分布. 结果表明,在相同入射管直径和流速下,撞击驻点位于混合腔中心处,无因次化的速度和湍流动能分布趋势基本一致. 高湍流动能区主要集中在撞击点附近区域,其无因次化数值是传统Rushton涡轮搅拌槽叶端处的3倍. 流速比对撞击驻点位置影响显著;减小撞击轴线上方空间可增加高湍流动能分布区域,利于物料混合.