搅拌槽内湍流流场的数值模拟

搅拌槽在过程工业中的应用非常广泛,对搅拌槽内流场的研究具有十分重要的意义。实验研究方法具有局限性,基于计算流体动力学的数值模拟方法是研究流场的重要方法。文中介绍了搅拌流场的数值模拟方法和湍流模型,分析了各自的特点及其应用情况,总结了搅拌模拟时边界条件的处理情况,并指出了未来的发展方向。     

非标准挡板搅拌槽内湍流流场的数值模拟

采用分离涡模型研究了非标准挡板搅拌槽内的流体力学特性,利用滑移网格法模拟了搅拌桨与挡板之间的相对运动。在验证了模拟方法有效性的基础上,分析了挡板布置方式对搅拌槽内的流场、速度与湍动能分布以及功率消耗的影响。结果表明,挡板布置方式对搅拌槽内的流场结构影响较小,但会改变桨叶射流的方向;对速度大小有一定的影响,完全非对称布置时的速度分布最均匀;搅拌功率随挡板非对称程度的增大略有提高,标准挡板的功率消耗与夹角为20°时的功率消耗非常接近,而且标准挡板时的湍动能最大,优于非标准挡板布置方式。     

搅拌槽内三维流场的数值模拟

应用商业计算流体力学软件CFX对搅拌槽内的流场进行了模拟,并与PIV测试结果进行了比较,流型吻合良好.速度分量的对比结果表明不同情况与各种模型的吻合情况不尽相同,标准k-ε双方程模型、RNG k-ε模型和代数应力模型在主流域内都能较准确地模拟搅拌槽内的流动场.     

搅拌槽内多相流动数值模拟研究进展

综述了过程工业中广泛应用的搅拌槽反应器内多相流动数值模拟研究的进展.讨论多相湍流模型、相间作用力模型及搅拌桨处理方法等重要的数值模拟技术和方法,并对有关的计算模型进行了比较分析.针对搅拌槽内的各种多相体系,论述了不同研究者在桨区处理、相间动量传递描述和分散相的引入对体系湍流特性影响等方面的模拟方法并对结果作了比较.提出了需要进一步深入研究的课题.     

轴流桨搅拌槽三维流场数值模拟

利用k -ε湍流模型预测了搅拌槽在不同操作条件下宏观速度场 ,模型成功预测了搅拌槽内速度分布 ,计算结果与实验结果吻合较好 .模型预测结果表明 ,搅拌槽内宏观流动场受搅拌桨槽径比影响较大 .对单层搅拌桨 -槽体系 ,挡板前后宏观流动场差别很大 ,在挡板以前区域 ,轴向流动较强 ,在整个r -z断面上形成一个整体循环 ;而在挡板后面区域 ,流体在桨叶安装位置高度附近转向轴心流动 ,槽体上半部区域形成二次循环区域 ,且二次循环区域内流体以向下流动为主 .     

搅拌槽内固液两相流的数值模拟及功率计算

使用计算流体动力学的方法对搅拌槽中的流场进行模拟,得到搅拌槽中液体的流动状况和体积分数分布。对流场分布规律、固体颗粒体积分数特点加以分析,进而利用模拟出的数据计算搅拌轴的功率,为搅拌器的设计提供参考。     

螺旋桨搅拌槽内湍流参数

在直径494和1600mm的平底有机玻璃槽内,利用一维恒温热膜风速仪测量了7种不同搅拌桨-槽体系中流体的时均速度、脉动速度、能谱函数、微分尺度以及湍流耗散等,对螺旋桨搅拌槽内湍流参数分布进行了详细的描述,研究了叶轮叶端安放角及离底距离对流动场的影响,并分析了放大过程对流动场的影响。     

搅拌槽内三相混合特性的数值模拟

利用Ansys CFX软件对自吸式龙卷流型搅拌槽内的气、液、固三相混合特性进行了研究,从速度场、固相分布、湍动能、湍动能耗散及切应变速率等方面对其进行数值模拟,并与标准搅拌槽进行对比发现:自吸式龙卷流型搅拌槽具有良好的速度分布和固液悬浮性能,其湍动能和湍动能耗散分布合理,有利于物料之间的充分接触与混合,且其主要混合区域的剪切力小、功耗低,对介质的损伤小,节能效果明显。     

“波纹”内壁搅拌槽内的湍流流动特性

设计了一种“波纹”内壁搅拌槽,通过在内壁上安装一定数量的半圆管,以增强搅拌效果,并采用计算流体动力学方法对其内部流动特性进行了分析.通过与文献中的实验及模拟结果的比较,验证了所建数值模型及模拟方法的可靠性,随后对不同半圆管尺寸(半径)、数量和安装位置时搅拌槽内的流场结构和功率消耗进行了研究.结果表明,与标准搅拌槽相比,“波纹”内壁结构尽管不会明显增强流体的湍流程度,但能提高流体速度分布的均匀程度,而且功率消耗没有明显变化;当在搅拌槽内壁上均匀安装4根半径为搅拌槽直径1/20的半圆管时[LL1] ,能显著减少挡板后方及槽顶部流体的低速区.该结果为“波纹”内壁搅拌槽在过程工业中的应用奠定了基础.     

螺旋桨搅拌槽内湍流运动测量及数据处理

螺旋桨搅拌槽内湍流运动测量及数据处理侯拴弟，王英琛，施力田（北京化工大学化学工程系，北京１０００２９）关键词搅拌槽，湍流运动，螺旋桨１前言轴流式搅拌槽常用于物料混匀、结晶、悬浮及催化反应等过程，是化工生产中重要的单元设备之一。纵观以往文献［１～３］，...     

搅拌器内湍流场的CFD模拟研究

采用CFD技术研究了DT和PTU型桨叶搅拌器内的湍流场,结果表明:对于PTU和DT桨叶,理论预测速度场分布规律与LDA测试结果吻合较好,理论预测漩涡的空间位置坐标与实测值完全一致。预测速度值与实测值在桨叶叶尖附近相对误差比较大,在离旋转中心轴线2R/3处竖直线上, 对于DT桨叶搅拌器,CFD预测的速度值和LDA测试值吻合比较好,最大相对误差在11%左右。而对于PTU桨叶,在同样的空间位置上,CFD预测值与测试结果的变化趋势相吻合,速度峰值附近的误差较大,相对误差高达30%左右。     

大型侧进式搅拌釜内湍流流场的数值模拟

采用计算流体力学(CFD)技术对直径和高度均为13 m的大型侧进式搅拌釜内均相宏观流场进行数值计算。结果表明,将计算域划分为大约90万网格时,计算得到的搅拌功率曲线与实验数据吻合较好;考察不同操作转速、搅拌桨安装角度及个数对釜内低速死区分布的影响,发现增大搅拌转速很难有效地消除水平面上的死区;搅拌桨垂直向下5.71°或水平偏转11°安装能明显改善流体运动。三桨和四桨搅拌体系对釜上部流场的优化要好于两桨体系;但在相同转速下,双桨、三桨和四桨搅拌釜的搅拌功耗分别是单桨搅拌釜的1.2倍、2.3倍和3.4倍。综合考虑,三桨体系搅拌效率较高。最后采用组分模型计算得到不同转速下三桨釜的混合时间。     

水力旋流器两相湍流数值模拟研究进展

数值模拟已经成为研究水力旋流器流场理论的重要手段,论述了国内外对于水力旋流器内两相流场的数值模拟研究进展,雷诺应力模型作为目前水力旋流器流场模拟的重要模型虽然已经得到广泛应用,但仍存在很大缺陷。通过分析研究成果提出了对于雷诺应力模型的改进和完善,今后对水力旋流器数值模拟研究的重点和发展方向。     

群体平衡方程在搅拌反应器模拟中的应用

群体平衡方程（population balance equation,PBE）是描述多相流体系中分散相大小与分布随时空变化的通用方程。搅拌反应器内多为多相流体系,考虑到颗粒聚并、破碎等微观机制对颗粒大小、分布、粒数密度等宏观参量的影响,采用PBE对搅拌槽内多相流体系进行数值模拟,可以较准确预测搅拌槽内流场和颗粒的大小与分布。对群体平衡方程在搅拌反应器数值模拟中的应用进行了综述,在简要介绍PBE的基本形式后,讨论了PBE的主要数值求解方法,然后着重介绍近年来采用PBE对搅拌槽内液固沉淀过程、气液及液液体系进行数值模拟的情况,并对今后的研究方向进行了展望。     

弯管内流场的数值模拟及方法分析

以180°圆形弯管为例,对弯管内流场的数值模拟方法进行了研究。分别采用k-ε模型,RNG k-ε模型和雷诺应力模型对弯管内流场进行计算,并将计算结果与试验测量结果进行了对比。结果表明:弯管内流体旋转产生的离心力导致了压力分布的变化,使得弯管内流体产生较强的涡流。在近内壁区中间位置,3种模型的计算结果与实验测量基本一致;在上半部分的1/2处,雷诺应力模型与标准k-ε模型的精度较高;在中心区,3种模型的计算结果与实验测量接近一致,但在弯管的进出口区域,雷诺应力模型的计算精度较高。近外壁区,3种模型的计算结果均反映了主流切向速度的变化趋势,但以雷诺应力模型计算精度最高。3种模型均反映了180°圆形弯管流场的主流切向速度的基本特征,但在一些速度变化较大,流场具有各向异性的局部区域,雷诺应力模型具有较高的预测精度,而标准k-ε模型与RNG k-ε模型存在着一定的局限性。     

大涡模拟搅拌槽中的液相流动

采采用大涡模拟湍流模型对有档板的Rushton 桨搅拌槽进行了数值模拟研究。控制方程采用控制容积法进行离散,对流项用三阶QUICK格式,扩散项是二阶中心差分。压力 速度耦合方程在交错网格上采用SIMPLE算法进行求解。小尺度流动的模化采用动力学（dynamic）亚格子模型。搅拌桨与档板之间的相互作用采用改进的内外迭代法进行处理。计算结果和文献值吻合得很好。     

基于EMMS模型的搅拌釜内气液两相流数值模拟

采用欧拉-欧拉模型对搅拌釜内气液两相流进行了三维CFD模拟,重点研究了采用不同曳力模型时CFD模拟对搅拌桨附近排出流区两相流动的预测能力。模拟结果表明CFD能准确地预测排出流区的液相速度分布,但采用传统的Schiller-Naumann曳力一定程度上低估了排出流区的气液相间曳力,导致在完全扩散区CFD预测的分布器和桨叶下方区域气含率偏小,而基于气液非均匀结构和能量最小多尺度（EMMS）方法得到的DBS-Global曳力模型能更准确地描述完全扩散区气液搅拌釜内流动情况。与传统曳力模型相比,采用DBS-Global曳力模型能显著提高对气含率的预测。     

空化射流流场数值模拟的研究进展

空化射流因具有高效能、无污染等优点而被广泛应用,但是由于其流场结构和水动力学性能过于复杂,使得对其的应用受到限制,为进一步认识和研究空化射流流场特性,对空化射流数值模拟过程中的空化模型、数值计算方法和流场特性影响因素的研究进行了综合论述.阐述了数值模型中不同的空化模型、湍流模型和多相流模型各自的特点、适用条件及存在的问题;对比分析了拉格朗日和欧拉数值计算方法在空化射流模拟中的应用,以及空化射流自身特点对计算方法的要求;对空化射流流场特性的影响因素研究情况进行了综合概述,使复杂的空化射流流场结构有更加清晰的表现,为以后的研究与应用提供了依据.通过以上论述,对目前空化射流数值模拟研究进展中存在的问题进行了分析,并根据所提出的问题,对以后的研究方向提出展望,有助于以后在空化射流流场的数值模拟研究中取得进展.     

Detached eddy simulation on the turbulent flow in a stirred tank

A detached eddy simulation (DES), a large‐eddy simulation (LES), and a k‐ε‐based Reynolds averaged Navier‐Stokes (RANS) calculation on the single phase turbulent flow in a fully baffled stirred tank, agitated by a Rushton turbine is presented. The DES used here is based on the Spalart‐Allmaras turbulence model solved on a grid containing about a million control volumes. The standard k‐ε and LES were considered here for comparison purposes. Predictions of the impeller‐angle‐resolved and time‐averaged turbulent flow have been evaluated and compared with data from laser doppler anemometry measurements. The effects of the turbulence model on the predictions of the mean velocity components and the turbulent kinetic energy are most pronounced in the (highly anisotropic) trailing vortex core region, with specifically DES performing well. The LES—that was performed on the same grid as the DES—appears to lack resolution in the boundary layers on the surface of the impeller. The findings suggest that DES provides a more accurate prediction of the features of the turbulent flows in a stirred tank compared with RANS‐based models and at the same time alleviates resolution requirements of LES close to walls. © 2011 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 58: 3224–3241, 2012     

非牛顿流体搅拌流场的数值模拟研究进展

对非牛顿流体搅拌流场数值模拟过程中的控制方程、旋转桨叶的处理以及数值计算方法三个方面进行了综合论述。阐述了广义牛顿流体模型形式简单、计算量低,在非牛顿流体搅拌流场数值模拟过程中应用广泛;黏弹性流体本构方程具有高度的非线性,采用计算流体力学(CFD)方法对其搅拌流场进行数值模拟难度较高,目前仍处于起步阶段;通过合理简化黏弹性流体本构方程以及采用恰当的数值离散方法,有助于在黏弹性流体的搅拌流场数值模拟中取得进展。