基于PIV的四斜叶桨搅拌反应器中非牛顿流体流场研究

针对机械搅拌反应器内非牛顿流体混合效率问题,对机械搅拌反应器内非牛顿流体流场特性进行了研究。采用非接触式流场测试PIV技术,对试验规模四斜叶桨搅拌反应器内非牛顿流体流场进行了测量,讨论和分析了不同溶液浓度和不同搅拌速度对机械搅拌反应器内流场分布的影响。研究结果表明:搅拌速度不仅可以影响流体间对流强度,而且会改变流体流场结构;溶液浓度对流场结构影响不大,但影响桨叶下部高流速区域大小和流体的最大速度。     

基于FLUENT的磨损试验机磨料流场模拟和试验验证

为了研究磨损试验机搅拌机构混合磨料的均匀度问题,应用计算流体力学软件FLUENT对磨损试验机磨料流场进行了模拟,直观显示了工作区内的流场特性和速度分布规律。对桨叶直径分别为10,15,20 cm及桨叶转速分别为450,600,750 r/min等不同参数下的磨损试验机磨料流场进行了模拟。结果显示,桨叶直径为20 cm,桨叶转速为750 r/min时为最佳工作状态。通过调节桨叶的转速及更换不同直径的桨叶,对实际搅拌的面粉和麸皮混合磨料进行了对比试验,试验结果与模拟结果基本吻合。     

联体泵-马达壳体内流场功率损失特性

联体泵-马达工作过程中由于流场功率损失过大,造成摩擦副磨损、压力供给不足、旋转部件发热等问题,降低整机的可靠性和寿命。采用了Mixture多相流模型及自编程的网格变形运动控制程序,建立了联体泵-马达壳体内部流场功率损失特性数值仿真模型。通过分析连体泵-马达壳体内油-空气两相流场中涡结构和湍流参数,揭示了壳体内流场功率损失产生机理及分布特性,并研究了转速和泵斜盘倾角对功率损失的影响规律。结果表明:流场涡结构及湍动能较高区域均集中在柱塞及缸体转动区域,该区域的搅拌损失占比为98.91%,湍流耗散损失占比为60.66%,是壳体内流场功率损失主要来源区。转速的增加导致流场湍动能升高,流场总损失增加;转速从955 r/min增大至3000 r/min后,流场总损失增加了1441.36 W。泵斜盘倾角的变大,使马达侧转速增加,流场更紊乱,流场总损失增加;泵斜盘倾角从0°增大至17.5°,流场总损失增加了1077.04 W。     

双层桨搅拌槽内层流流场与混合时间的数值模拟

采用Laminar模型、多重参考系法(Multiple reference frame,MRF)和示踪剂浓度法对双层六直叶桨搅拌槽内高黏非牛顿流体层流流场和混合时间进行数值模拟,分析其流动特性、示踪剂扩散过程、示踪剂浓度响应曲线和混合时间;采用示踪粒子法和酸碱指示剂变色法对透明有机玻璃搅拌槽内流动场和混合过程进行试验测定。结果表明,双层桨中间面将示踪剂先控制在加料的半层内随主体介质流动扩散,当浓度差增大后再向另外半层扩散;在搅拌剧烈的桨叶区或在中间面加入示踪剂,可获得更短的混合时间;不同位置混合完成的时间不同,根据搅拌要求合理选择监测点,可避免资源浪费或搅拌不充分;提高搅拌转速,可使搅拌槽内介质混合过程加快,混合时间减小;试验结果验证了数值模拟结果的准确性,为非牛顿流体层流搅拌槽的设计和工程应用提供了理论依据。     

双层组合叶轮的搅拌槽对液固两相流的数值模拟

采用液固两相流的方法进行数值模拟,运用Fluent软件,利用多重参考系法(MRF)、Eulerian多相流模型、RNG k-ε湍流模型进行仿真,分析双层搅拌桨在立式搅拌槽不同工况下槽内的流场流动及搅拌功率特性。结果表明:不同组合叶轮对流场宏观流动特性影响显著,当上下层叶轮结构不同时,混合液的湍动能增强,循环流动增强,混合效果提高,故选择双层上斜下直搅拌桨作为最优桨型。在此基础上分析搅拌功率,转速大搅拌功率大;粒径增大,搅拌功率先减小后增大;颗粒体积分数对搅拌功率影响不明显,对比模拟值与实验值的最大误差为15%。     

基于Fluent的双卧轴搅拌器数值模拟研究

针对一种PVA纤维双卧轴搅拌器,利用Fluent软件对其内部流场进行数值模拟,分析了在梯形搅拌叶片作用下搅拌器内流场的湍流强度以及速度分布情况,对比分析了不同搅拌转速对流场分布规律的影响。结果表明,减小搅拌叶片间距和减小搅拌轴轴距均可增大流场的湍流强度,有助于纤维的分散;搅拌转速在650 r/min左右时,搅拌器分散效率最高。为纤维分散的流场特性研究及搅拌结构的优化提供一定参考价值。     

变速搅拌混沌混合的PIV试验研究

针对搅拌槽内部的流体混合在湍流状态不成问题,但当流体处于层流状态下如何提高混合效率的实际问题,为提高层流状态下搅拌槽内流体的混合效率,采用混沌混合使叶轮以变转速做周期性运动。利用粒子图像测速技术对层流搅拌槽变速混沌混合流场进行试验研究,对所测得的粒子图像采用相应图像处理软件处理,得到了六个不同角度处流体径向速度分布云图,并对比分析变速搅拌与常速搅拌混合流场速度分布曲线的不同。试验结果表明,叶轮变转速运动时,搅拌槽内径向速度范围宽,扰动区域大,说明变转速运动比常转速运动的搅拌混合效果好、搅拌效率高。所做研究对充分认识变速层流搅拌诱发混沌混合的机理,为大型层流混沌混合搅拌槽的设计提供指导性建议,具有重要理论意义及实际应用价值。     

锥盘底和平底搅拌槽固液混合特性的CFD研究

利用CFD软件分别对固液混合的锥盘底搅拌槽和平底搅拌槽内的固相浓度场进行数值模拟,研究了搅拌槽底部形状对固液混合时间、搅拌功率、湍动能和固相速度的影响。研究表明:平底搅拌槽中的循环流不能到达槽底中央和槽底与槽壁的交接处,在这两个部位易产生固体颗粒的沉积,锥盘底搅拌槽的固液相混合时间比平底搅拌槽的省时22%,平底搅拌槽和锥盘底搅拌槽的功率消耗几乎相同,锥盘底搅拌槽3个监测点的湍动能都大于相应的平底搅拌槽的,锥盘底搅拌槽的监测点固相速度也比相应的平底搅拌槽的大。综合考虑锥盘底搅拌槽的各个固液混合参量都优于相应的平底搅拌槽。     

稀土萃取槽混合室结构研究

以实际工程中应用的稀土萃取槽混合室为研究对象,运用Fluent软件分析挡板对稀土萃取槽混合室内料液搅拌效果的影响,采用标准k-ε湍流模型和多重参考系法模拟了不安装挡板和安装不同数量挡板的混合室内的流场和湍动能,并进行对比分析。研究结果表明,安装挡板会改变混合室内的流场结构,使轴向流动得到明显增强;而且挡板能有效限制切向速度,增大轴向和径向速度以及湍动能,加强了混合室内料液的搅拌混合特性;根据模拟结果分析找到了能改善混合效果的挡板数量。     

双层直斜叶及其组合桨搅拌槽三维流场数值模拟

采用计算流体力学的方法,对双层六直叶涡轮桨、双层六斜叶涡轮桨以及双层六直斜叶交替涡轮桨搅拌槽流场进行研究。利用Laminar层流模型对其在甘油与水的混合物中产生的流场进行数值计算,得到三种不同结构形式的双层桨以恒转速200 r/min在搅拌槽内转动时所产生的流场结构,对比分析轴向、径向和周向的速度矢量图、速度云图以及速度分布曲线,为层流搅拌槽的设计和实际应用提供了理论依据。     

Numerical simulation and analysis of power consumption and Metzner-Otto constant for impeller of 6PBT

Majority of non-Newtonian fluids are pseudoplastic with shear-thinning property, which means that the viscosity will be different in different parts of the stirred tank. In such mixing process, it is difficult to predict accurately the power consumption and mean shear rate for designing novel impeller. Metzner-Otto method is a widely accepted method to solve these questions in mixing non-Newtonian fluids. As a result, Metzner-Otto constant will become a key factor to achieve an optimum way of economical mixing. In this paper, taking glycerine and xanthan gum solutions as research system, the power consumption, stirred by the impeller composed of perturbed six-bent-bladed turbine （6PBT） with differently geometrical characteristics in a cylindrical vessel, is studied by means of computational fluid dynamics （CFD）. The flow is modeled as laminar and a multiple reference frame （MRF） approach is used to solve the discretized equations of motion. In order to determine the capability of CFD to forecast the flow process, the torque test experiment is used to measure the glycerine solution power consumption. The theological properties of the xanthan gum solutions are determined by a Brookfleld rheometer. It is observed that the power consumption predicted by numerical simulation agrees well with those measured using torque experiment method in stirring glycerine solution, which validate the numerical model. Metzner-Otto constant is almost not correlated with the flow behavior index of pseudoplastic fluids. This paper establishes the complete correlations of power constant and Metzner-Otto constant with impeller geometrical characteristics through linear regression analysis, which provides the valuable instructions and references for accurately predicting the power consumption and mean shear rate of pseudoplastic fluids in laminar flow, comparatively.     

错位六弯叶桨搅拌假塑性流体的洞穴变化

预测洞穴大小及其变化规律对于剪切变稀的假塑性流体搅拌至关重要。利用计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)模拟方法,对错位六弯叶桨搅拌黄原胶水溶液所形成的洞穴效应进行研究,确定较为适宜的洞穴边界速度,得到洞穴形状、直径及高径比随表观雷诺数Re*的变化情况,并进行搅拌功率的试验验证。结果表明,模拟计算得到的功率值与试验测量值吻合较好,表明建立的层流模型正确;洞穴形状呈现圆柱形的变化规律,符合圆柱形洞穴模型(EN模型)的描述;Dc/D-NpRey的变化规律和洞穴高径比的变化均与流体流变性无关,当Dc相似文献   

磁力搅拌湍流场的PIV测量及流场演变的POD分析

为了解磁力搅拌过程湍流特性,对其开展了激光粒子图像测速(PIV)试验,并进行了本征正交分解(POD)分析。分析表明,在测量平面转子外部区域,除平均流动,含能量较高的流动结构为循环剪切流和转子旋转的尾涡结构。在搅拌槽底部具有较高的旋涡强度,有利于固体颗粒悬浮。流体与转子之间的流-固耦合作用使转子产生振荡,随转速升高,系统稳定性下降,平均流动含能降低,小尺度结构含能增加,涡流扩散增强,有利于混合和反应进行。     

Rheological measurement of untreated sewage by straight tube

Sewage contains abundant low-grade heat energy, and recycling it using a heat pump system is an effective way to reduce carbon emissions. The particles in sewage will cause untreated sewage to exhibit non-Newtonian characteristics, and accurate rheological measurement is important for sewage transmission and distribution system design. The traditional rotary rheometer deforms, agglomerates, or breaks the solid particles in sewage, which affects the measurement results. Therefore, in this study, a horizontal tube rheological test bench was built for urban sewage. Constitutive equations and viscosity expressions of untreated and prepared urban sewage at different temperatures and particle concentrations were tested. The results show that untreated and prepared sewage conforms to the shear-thinning model of power-law fluids in non-Newtonian fluids even at particle wet mass concentration as low as 0.103%. The flow characteristic index n of sewage is unrelated to temperature, and its influence is mainly reflected in the consistency coefficient k. However, the sewage flow characteristic index n increases with a decrease in particle concentration. In the laminar flow range of 0.02–0.2 m/s, the flow resistance obtained by treating untreated sewage as a Newtonian fluid was approximately 1.36–1.99 times that of the non-Newtonian fluid model, which will result in a larger power system design and higher energy consumption. Under turbulent flow conditions, the drag coefficient of the Newtonian model was approximately 1.13 times that of the non-Newtonian model. This shows that when designing a sewage source heat pump system, the power-law fluid shear-thinning characteristics of untreated sewage must be fully considered, which helps reduce the calculated energy consumption of transportation.     

凸轮转子泵抽送不同浓度非牛顿流体的流场分析及对性能影响

为了探讨摆线型凸轮转子泵抽送粪污介质的性能变化和针对非牛顿流体类抽送的优化设计,以三叶摆线型凸轮转子泵作为研究对象,选取清水和浓度为6.87%,9.20%,12.15%的猪粪作为抽送介质,对凸轮转子泵进行三维非定常数值模拟,分析内部流场瞬态特性,预测其外特性。分析结果表明:在抽送清水和不同浓度的猪粪时,从泵腔的进口区域到出口区域的压力逐渐升高,随猪粪浓度增大,独立工作腔室的压力增大;抽送非牛顿流体时,间隙处因挤压而产生的速度激增,转子泵腔内的速度分布更加均匀;出口的压力脉动主频均出现在2倍叶频处,压力脉动幅值随猪粪浓度增大而减小;随猪粪浓度增大,出口流量、容积效率及水力效率增大,流量脉动系数减小,其性能优于抽送清水介质。研究为凸轮转子泵输送非牛顿流体时的优化设计奠定了基础。     

Rushton桨搅拌槽内平均流场的二维PIV试验研究

用粒子图像测速技术(Particle image velocimetry,简称PIV)对带有Rushton桨叶的,无挡板搅拌槽内的流场进行研究。在叶轮转速240 r/min下,流动的雷诺数Re=1 527时,获取了桨叶处以及桨叶转过5个不同角度处的粒子图像。在对粒子图像进行处理和计算后,得到了相平均速度场和系综平均速度场,并给出了速度分布剖面图。结果表明,所研究的Rushton桨搅拌槽内径向喷射流动沿桨叶垂直方向是非对称的,而是向下方倾斜。在桨叶附近,径向流动速度高。随着流动远离桨叶,径向速度在降低。因此径向喷射流动作用就相当于自由射流:叶轮桨叶喷射出的流体进入周围大量低速运动的流体中,卷吸周围流体,并沿轴向和径向扩散,从而使更多的流体参与混合和反应。所作研究对于深入了解搅拌槽内流场结构具有实际意义。     

软性磨粒流精密加工工艺参数优化方法

针对固-液两相软性磨粒流加工中随着磨粒流温度的升高而导致流体黏度下降,进而导致湍动能和动压力分布不均匀的问题,提出一种新型的加工方法,即通过改变流速来补偿温度变化对湍动能和动压力的影响。基于对加工机理的研究,认为湍动能和动压力分别影响加工表面的加工纹理和材料去除率,确定了一种评价湍流形态的标准。对同一速度下不同温度时的湍动能和动压力的大小分布进行对比,研究了温度对湍动能和动压力大小和分布的影响;对同一温度下不同速度时的湍动能和动压力的大小分布进行对比,研究了速度对湍动能和动压力大小和分布的影响。通过大量仿真求得了9个不同温度下的最优温度,并作出了温度-速度曲线,为以后的湍流调控和自动控制系统的设计提供参考。实验结果表明,调速后工件表面的加工均匀度有明显的提升。