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.     

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.     

PIV在化工搅拌釜内流动测量中的应用

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及其衍生的测速技术在搅拌混合实验研究中具有广泛应用前景。PIV流场测量结果兼具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,揭示搅拌混合作用机理,优化搅拌桨型设计,促进搅拌混合技术的进一步发展。     

偏心双桨搅拌流场及效果分析

生产工艺中需要聚苯乙烯粒子在液相苯乙烯中均匀悬浮与混合,要求底部固相不堆积,固相浓度分布均匀。为了达到理想的搅拌效果,本文研究了双桨的偏心率及转速对搅拌混合效果的影响。以底部椭圆封头,无挡板的反应釜和双层6折叶的开启涡轮式搅拌器为研究对象,用Fluent软件对搅拌器偏心时水的搅拌流场及聚苯乙烯粒子-苯乙烯固液搅拌进行数值模拟。模拟了不同偏心率和转速对搅拌流型、聚苯乙烯粒子浓度分布及能耗的影响,并用粒子图像测速法(PIV)实验验证水的搅拌流场。结果表明,偏心搅拌可使流体速度得到增加,桨叶下方的搅拌死区得到有效抑制;偏心率增大导致两侧的速度偏差越来越大,能量分布不均匀;偏心搅拌的聚苯乙烯粒子浓度分布比对中搅拌的更为均匀,可改善粒子在苯乙烯中的悬浮效果;相同搅拌效果的情况下,偏心率为0.15的功率消耗是对中搅拌的85%;对该固液搅拌时的最佳偏心率和最佳转速分别为0.15和95 r/min,此时固液搅拌混合效果最好,固相浓度分布最为均匀,消耗功率相对较少。     

涡轮桨搅拌槽内流动特性的大涡模拟

利用大涡模拟方法研究了涡轮桨搅拌槽内的流动特性,采用了三种亚格子模式:标准Smagorinsky-Lilly模式(SLM)、Smagorinsky-Lilly动力模式(DSLM)和亚格子动能动力模式(DKEM),并将模拟结果与标准k-ε模型及文献实验数据进行了详细的比较.结果表明:大涡模拟方法可获得搅拌槽内的瞬态流场;对桨叶区时均速度及湍流动能的预测与实验数据相吻合,比标准k-ε模型计算结果有明显改进,三种亚格子模型中DSLM和DKEM模拟结果更好.同时分析了大涡模拟中桨叶端部附近湍流动能估计偏差的原因,发现主要是由于对轴向湍流均方根速度的预测偏差造成的.大涡模拟方法为搅拌槽内非稳态、周期性的湍流流动和湍流特性的研究提供了强有力的工具.     

搅拌槽内近桨区流动场的数值研究

利用滑移网格方法，采用三种不同密度的网格，计算了六直叶涡轮搅拌桨的三维流动场。利用数值方法得到了桨叶附近流动场中产生的尾涡，并将不同密度网格下的数值模拟结果与实验数据进行了比较。计算结果表明，在高密度的网格下可以清楚地观察到桨叶附近所产生的尾涡，其大小与实验结果一致，但尾涡衰减较快：叶端的径向与切向速度分布与实验值吻合较好，加密网格对最大径向及切向速度的预测精度有明显提高；即使采用很高的网格密度，对湍流动能的预测仍然偏低。     

Rushton桨搅拌槽中气液两相流动的全流场数值模拟

The gas-liquid flow field in a stirred tank with a Rushton disk turbine,including the impeller region,was numerically simulated using the improved inner-outer iterative procedure.The characteristic features of the strirred tank,such as gas cavity and accumulation of gas at the two sides of wall baffles,can be captured by the simulation.The simulated results agree well with available experimental data.Since the improved inner-outer iterative algorithm demands no empirical formula and experimental data for the impeller region,and the approach seems generally applicable for simulating gas-liquid stirred tanks.     

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。     

高固含搅拌槽内临界离底悬浮转速的数值模拟

使用计算流体软件CFX5.5.1对固液搅拌槽内颗粒的临界离底悬浮转速进行了数值模拟. 搅拌槽直径D=0.476 m,搅拌桨为三叶CBY螺旋桨. 桨叶安装高度h=D/3. 固液两相为玻璃珠-水,固体体积浓度为15%~50%. 对临界离底悬浮的速度判据进行了修正,并利用浓度判据与修正的速度判据得到颗粒临界离底悬浮转速Njs,模拟计算结果与实验数据的误差在工业允许的范围内. 同时,对临界离底悬浮状态槽底部不同浓度下的流体湍流动能的分布情况以及大小进行了预测,并对2种固体临界离底悬浮机理进行了验证.     

底入式搅拌器流场的影响因素研究

通过对硫铵结晶底入式搅拌器流场的CFD数值模拟,分析了搅拌转速、搅拌桨半径对高效轴流式搅拌器流场的影响。研究表明,搅拌转速对搅拌釜内流场的分布形式影响较小,随着转速的增加,流量和功率随之增加,近似呈线性规律分布,搅拌器内流体具有较好的循环性能;随着搅拌半径的增大,搅拌器内速度分布逐渐均匀,搅拌桨对流体的剪切性能较好。     

Numerical Simulation of Gas‐Liquid Flow in a Stirred Tank with Swirl Modification

Although the standard k‐? model is most frequently used for turbulence modeling, it often leads to poor results for strongly swirling flows involved in stirred tanks and other processing devices. In this work, a swirling number, R_S, is introduced to modify the standard k‐? model. A Eulerian‐Eulerian model is employed to describe the gas‐liquid, two‐phase flow in a baffled stirred tank with a Rushton impeller. The momentum and the continuity equations are discretized using the finite difference method and solved by the SIMPLE algorithm. The inner‐outer iterative algorithm is used to account for the interaction between the rotating impeller and the static baffles. The predictions, both with and without R_S corrections, are compared with the literature data, which illustrates that the swirling modification could improve the numerical simulation of gas‐liquid turbulent flow in stirred tanks.     

搅拌槽内三相流场混合时间的测定及模拟研究

混合时时间是评定搅拌设设备混合效率的重重要指标,为了了检测带有挡板和和导流筒的搅拌槽槽内液-固-固三相相流场的混合时时间,以甘油溶液液为液相,砂子和和赤泥为固相建立立了流场体系,采采用电导法测量体体系的混合时间。并对流场进行行了计算流体动力力学(CFD)模拟研研究,CFD模型采用基于欧拉多多相流模型和RNNGκ-ε湍流模型。流场混合时间间模拟结果与实验验结果的偏差较小小,说明该CFDD数学模型能很很好地预测流场的的混合时间。体系系的混合时间随随搅拌转速的增大大而减小,当流场场的轴向混合占主主导地位时,增设设导流筒可减小小流场的混合时间间。导流筒对于粒粒径和密度较小的的固体影响较大。。     

Influence of Spacing of Multiple Impellers on Power Input in an Industrial‐Scale Aerated Stirred Tank Reactor

Despite the fact that aerated stirred tank reactors are widely used in industry and often studied, their design and scale‐up still remains challenging. Especially the specific power input is a crucial and geometry‐dependent scale‐up parameter, usually calculated with the dimensionless power number Po. Within the scope of this study, the power number is measured for different stirrer types and configurations in a laboratory and an industrial‐scale aerated stirred tank reactor. Good agreements to literature are found for the unaerated case for the two‐stage stirrer configurations at different stirrer spacing for both scales. By literature only the aerated case in the laboratory scale can be predicted. Scale‐up of an aerated industrial‐scale reactor is challenging because of a specific influence of the aeration. In case of a three‐stage Rushton configuration, an asymmetrical distribution of the stirrers should be preferred to ensure a high power number as well as good power performance under aerated conditions.     

自吸式三相搅拌釜中流动与传质特性实验研究

以CFD数值模拟为基础,从功耗性能和体积传氧性能两方面,对自吸式三相搅拌釜中流动与传质特性进行实验研究。实验表明,当搅拌转速低于气体吸入临界转速时,其对搅拌功率的影响很小,当转速高于气体吸入临界转速时,随着固相分率的增大搅拌功率下降。当固相分率φ<5%时,固相颗粒的存在使得体积传氧系数KLa增大,当固相分率φ>5%时,固相颗粒的存在使得KLa降低。单位体积功耗Pg/V越大,KLa越大,同样的单位体积功耗下,自吸式三相搅拌釜的KLa比搅标准搅拌釜高。     

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。     

起旋粗螺纹间隙中流体流动特性的PIV实验研究

利用粒子图像测速(PIV)技术对不同介质流体在垂直粗螺纹间隙中的螺旋流动进行全流场测量。用Tecplot软件进行粗螺纹间隙中螺旋流场显示并对沿流动方向上的流体速度进行提取。分析了不同流量条件下,粗螺纹间隙中不同介质流动流场瞬时特性、沿流动方向上流体速度分布特征和涡量场分布特征。结果显示:流体在粗螺纹间隙中存在高速区和低速区,随着流量的增加,高速区速度逐渐增大,面积逐渐减小,涡旋强度增加,正涡逐渐下移,负涡位置基本保持不变。在粗螺纹间隙中流体介质的粘度对螺旋流场的影响较小。     

搅拌槽内固体颗粒对液相速度影响的研究

采用自行研制的双电极电导探针 ,在 0 .75m× 0 .75m× 1m方形搅拌槽中 ,测定了玻璃珠 水体系中固体颗粒对液相速度的影响。实验结果表明 :加入密度大于水的固体颗粒后 ,轴流式向下泵送液体搅拌桨的表观排出流量准数增大 ,但实际排液能力并不增加 ;近壁上流区液相速度衰减 ,衰减幅度随固相浓度不同而不同 ;由于固体颗粒的加入 ,搅拌槽底部液相速度衰减 ,与近壁上流区相比衰减幅度较小。近壁上流区液相速度与搅拌转速成正比 ;不同直径的搅拌桨 ,输送功率相同时 ,近壁上流区液相速度相等。近壁上流区液相速度可作为固液悬浮搅拌槽设计的重要参数     

磷化槽液流速对阴极电泳涂装的影响

针对车身电泳涂装后涂膜表面粗糙且出现非均匀分布细小颗粒的质量问题,根据相关测量数据和工况的分析,认为磷化槽液流速过快对磷化膜P比的影响和对磷化渣除渣效果的影响是导致上述电泳涂装缺陷的原因,并提出措施解决了上述质量问题.     

搅拌槽内液-固两相体系的数值研究(Ⅱ)临界搅拌转速的预测

The critical impeller speed, NJS, for complete suspension of solid particles in the agitated solid-liquid two-phase system in baffled stirred tanks with a standard Rushton impeller is predicted using the computational procedure proposed in Part Ⅰ. Three different numerical criteria are tested for determining the critical solid suspension. The predicted NJS is compared with those obtained from several empirical correlations. It is suggested the most reasonable criterion for determining the complete suspension of solid particles is the positive sign of simulated axial velocity of solid phase at the location where the solid particles are most difficult to be suspended.     

折流式旋转床气相流场实验研究

在转子直径488mm、高104mm的折流式旋转床中采用五孔探针测量了不同转速和气量下旋转床转子内腔的三维气相流场,对测定结果进行了分析,得到了气相流场矢量图.结果表明,旋转床转子内腔的气体螺旋式上升和下降,以切向气速为主,轴向气速和径向气速均较小.根据气体角动量守恒定律,越靠近旋转床轴心切向气速越大.同时分析了气体流量和转子转速对流场的影响,并获得了转子内腔的气体总压和静压分布.依实验数据计算出,当距离旋转床轴心的半径减小16.97%、转子转速增加54.18%、气体流量增加3.11倍,气体切向速度分别增加12%～41%,58%～88%和29%～73%.由无因次气体雷诺数、无因次半径和离心加速度,得到了计算无因次切向气速的经验公式,预测与实验结果吻合较好.