无挡板搅拌槽内的自由表面湍流流场研究

基于VOF多相流模型,建立了自由液面搅拌流场的数值模型和模拟方法。以偏心和无挡板中心搅拌槽为例,分别使用标准k-ε模型和分离涡模型研究了搅拌槽内流体的时均速度分布,发现数值模拟结果与实验结果吻合较好,仅略低于实验值。整体而言,使用分离涡模型时模拟结果与实验值之间的误差不超过12%,而k-ε模型的模拟精度则较差。研究结果表明,分离涡模型和VOF模型相结合,能很好地模拟搅拌槽内流体的自由液面流动特性。     

半圆管挡板搅拌槽内的湍流流场

为增强搅拌槽内流体的流动特性,设计一种半圆管形挡板,采用标准k-ε模型和多重参考系法对其内部湍流流场进行研究。通过与实验结果的比较,验证了所建模型和模拟方法的可靠性,随后对搅拌槽内的流场、速度和湍动能分布及功率消耗进行分析,并与标准搅拌槽进行对比。结果表明,半圆管挡板能提高流体速度分布的均匀程度,增大流体的轴向和切向速度以及湍动能,而且功率消耗略降低约5%,具有一定的节能功效。     

柔性Rushton搅拌桨混合性能的实验研究

提高混合效率是流体搅拌混合领域的重点研究内容之一。几十年来，人们在开发新型搅拌桨及研发流体混合新技术方面做了大量工作。基于刚性Rushton桨，开发了一种柔性叶片Rushton搅拌桨，并以罗丹明6G为荧光剂，采用平面激光诱导荧光法对介质为水时该桨在湍流状态下的混合性能进行了实验测试研究。结果发现，标定实验结果表明，荧光剂强度与浓度呈线性关系，可以此为基准衡量同等实验条件下的宏观混合时间。荧光剂的扩散情况表明，与刚性桨相比，柔性桨具有更好的混合性能，尤其在混合的初始阶段，混合均匀程度及混合速度均有一定的优势。与刚性桨混合时间的对比表明，柔性桨的宏观混合时间较短，有助于提高流体混合效率。研究结果为该桨的工业应用奠定了基础。     

摆动式搅拌槽内宏观流场的数值模拟

搅拌设备效率的高低在很大程度上取决于其内部流场的结构,因而对流场的研究就十分重要．采用FLUENT软件对自行设计的摆动式搅拌槽内的流场进行数值模拟,模拟时运用动网格技术来指定搅拌器的运动规律,采用标准κ-ε模型对速度场进行了求解．结果表明：槽内的流场为充分发展的湍流,摆动式搅拌为径向流搅拌,桨叶上方的流动以切向剪切为主,下方以径向流为主．     

摆动式搅拌槽混合效率的评定

如何提高混合效率一直是搅拌研究领域的主要方向之一。从传动方式的改变入手,设计了一种摆动式搅拌槽,并对槽内流场和混合过程进行了数值模拟。基于数值模拟结果对摆动搅拌槽内流体流动特性和加料方式对混合效果的影响进行了分析。     

多层桨搅拌槽内的液相流场研究

针对多层桨搅拌槽的结构配制问题,对多层Rushton桨搅拌槽内的液相湍流流场采用计算流体动力学方法进行了数值模拟研究。首先分析了一个高径比为H/T=1.4的双层Rushton桨搅拌槽内的流型,通过与实验结果的对比,验证了模拟方法的可靠性;随后分析了底层搅拌桨的离底高度、桨间距、桨径比、以及搅拌桨数目对一个高径比为1.6的Rushton桨椭圆底搅拌槽内流型、湍动能和搅拌功耗的影响。研究结果表明,对于所研究的搅拌槽,采用桨径比D/T=0.48、底层桨离底高度C1=0.4T的双层Rushton桨配置为最佳选择,相同雷诺数的条件下,具有湍动均匀度高、搅拌功耗低的优势。     

偏心搅拌槽固液悬浮特性

以数值模拟对偏心搅拌时的固液悬浮特性进行了研究,物料选用固相体积分数为15%、粒径为135 mm的球形玻璃珠-水两相体系,采用标准k-e湍流模型模拟液相流动,采用欧拉多相流模型模拟悬浮过程,分析了偏心率对搅拌流型、颗粒浓度分布及能量消耗的影响. 结果表明,偏心搅拌时浓度分布比中心搅拌更为均匀,可改善固液悬浮效果,且具有节能功效;不同偏心率的改善效果不同,偏心率e=0.21时悬浮效果最理想,此时的临界悬浮转速约为中心搅拌时的80%,消耗的功率约为中心搅拌时的90%.     

柔性Rushton搅拌桨的振动特性

采用数值模拟的方法分析了课题组前期开发的实验室规模的柔性叶片Rushton搅拌桨的振动特性,并采用丹麦的Brüel & Kj?r及中国的东华振动测试仪进行了实验研究。结果表明,桨轴系统的第1~6阶振型为弯曲型,第7~12阶振型为扭转型。模拟得到的固有频率与实验结果吻合较好,均表明存在集聚现象;与干模态固有频率相比,湿模态固有频率有所降低。承受高频交变激励载荷时,桨轴系统存在明显的应力和应变谐响应。桨轴系统的固有频率随转速的增大而减小,随介质黏度的增大而增大。研究结果为柔性叶片Rushton搅拌桨的放大设计及工业应用奠定了基础。     

疏水Rushton搅拌桨的减阻性能

为了减小搅拌阻力与功耗,本研究提出了疏水叶片搅拌桨的设想。首先采用数值模拟的方法,对非疏水Rushton桨搅拌容器内的流场进行了模拟,通过与文献中实验结果的对比,验证了数值模型和模拟方法的可靠性。随后研究了湍流状态下疏水Rushton搅拌桨的流体动力学性能,分析了不同疏水状态下的流场结构、剪应力和压力分布以及减阻效果和搅拌功耗,并与非疏水桨进行了对比。结果表明,疏水处理后Rushton桨搅拌容器内的流场没有明显变化,但流体的轴向泵送能力有所增强,高速度区域略有扩大,超疏水时效果更明显。疏水处理可降低Rushton桨的剪应力和桨叶前后表面间的压差,具有减阻效果,超疏水时减阻幅度高达39.56%。另外,疏水Rushton桨的搅拌功耗有所降低,与非疏水桨相比,超疏水桨的功率准数降低了8.53%,具有显著的节能效应。     

双层格栅桨搅拌容器内气液两相混合

为了提高搅拌容器内的气液混合效果, 在标准Rushton桨的基础上, 用格栅圆盘代替实体圆盘, 设计一种格栅搅拌桨。采用计算流体力学的方法, 研究双层格栅桨的气液混合性能, 并与标准Rushton桨进行了对比。研究结果表明: 在所研究的工况条件下, 双层格栅桨搅拌容器内的流型仍为典型的双循环流动结构, 但搅拌桨附近流体的轴向速度和泵送能力得到了提高, 改善了搅拌桨附近、上下两层桨之间以及搅拌容器上方区域内气体的分散状态。就搅拌功率而言, 双层格栅桨通气前的功率准数比标准Rushton桨约低5%, 具有一定的节能效应; 通气后双层格栅桨的相对功率需求约大8%, 气液混合效率略高。