无挡板涡轮桨搅拌槽内湍流流动的分离涡模拟

采用分离涡模型对无挡板涡轮桨搅拌槽内的湍流流动进行了研究,重点分析了流场结构和速度分布,以检验该模型模拟搅拌槽内流体流动的有效性和正确性. 为了加快收敛,先采用标准k-e模型进行稳态流场计算,并以此结果为初始值进行分离涡模拟. 与现有文献大涡模拟及实验结果对比表明,分离涡模型能捕捉槽内流体的瞬时流动特征,获得的时均速度分布与大涡模拟及实验结果吻合较好,其中对切向速度分布的预测误差不超过7%,对径向速度分布的预测精度则低一些,局部误差接近12%. 分离涡模型适用于无挡板涡轮桨搅拌槽内湍流流动的模拟,能获得与大涡模拟相近的结果,且计算量更小(约为大涡模拟的1/3).     

径向流涡轮桨搅拌槽内流动场的数值模拟

采用计算机辅助工程软件ANSYS10.0中的FLOTRAN CFD模块,对单层径向流涡轮桨搅拌槽内的流动场进行了数值模拟.研究了涡轮形式、涡轮安装位置、涡轮尺寸对流场的影响.结果表明:当搅拌转速较低时采用六直叶涡轮,而转速较高时采用六平叶圆盘涡轮较为合理;当D=(1/3、1/2)T、C=(3/10～4/10)T时,流场分布均匀,平均流速较高,介质表面速度分布合理,视为最佳直径与安装高度.应用本文所述方法可优化搅拌设备的设计.     

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。     

轴流式搅拌桨搅拌槽内混合时间的数值模拟

利用计算流体力学软件FLUENT 6.0程序计算了单层CBY搅拌槽内流体混合过程的速度场和浓度场,讨论了加料点位置和监测点位置对混合时间的影响。结果表明,拌槽内物料的混合过程主要由槽内的流体流动所控制;混合时间与加料点位置有关,在桨叶附近区域加料时混合时间比在液体表面加料时的混合时间短,应尽量在搅拌反应器的桨叶尖端处加料;不同的监测点位置对混合时间有很大的影响,在靠近槽底部进行监测所得到的混合时间最短。     

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.     

搅拌槽内单相湍流流场数值模拟研究进展

搅拌槽内的流场是决定混合、传热及传质等操作的基础,对流场的研究具有十分重要的意义,计算流体动力学是研究流场的重要方法。本文回顾了搅拌数值模型的发展历程,阐述了三十年来各种搅拌流场数值模拟方法的特点及其应用情况,对比分析了各种湍流模型的优缺点,并展望了未来搅拌槽内单相湍流模型的发展方向。     

Rushton桨搅拌槽内轴弯矩的数值模拟

针对搅拌槽内流体流动、柔性结构振动和流动流体与柔性结构相互作用(流固耦合)的特征,分别采用计算流体动力学(不考虑结构振动)、计算结构动力学(不考虑流体作用)和两种计算动力学相互瞬态耦合模拟(同时考虑结构振动和流体作用)研究Rushton桨搅拌轴的弯矩幅值平均和波动特性。研究结果表明:搅拌槽内流体充当了振动的阻尼作用,抑制了搅拌桨轴侧向振动的幅度,但主体流动的低频宏观不稳定性显著地增加了搅拌桨轴旋转的不稳定性,同时搅拌桨轴侧向振动增加了搅拌桨叶片上的流体载荷不稳定性,但对不均衡性影响很小;弯矩流体成分(来源于流体压力和粘性力)与结构成分(来源于结构重力和惯性力)之间夹角是随机的,但平均夹角接近于90°;耦合模拟结果与实验数据吻合较好,且明显优于计算流体动力学和计算结构动力学分离模拟计算结果。研究结果有助于深入理解搅拌槽内流固耦合对搅拌轴弯矩的影响,对搅拌设备的机械设计具有指导意义。     

涡轮桨搅拌槽内湍流特性的V3V实验及大涡模拟

分别用体三维速度测量技术（volumetric three-component velocimetry measurements,V3V）和大涡模拟（large eddy simulation,LES）方法对涡轮桨搅拌槽内流场进行研究,发现在完全湍流状态下,涡轮桨搅拌槽内流场的量纲1相平均速度及湍动能分布同Reynolds数无关。用V3V方法实现了Rushton桨叶附近三维流场的重构;探讨尾涡的三维结构及运动规律;分析了叶片后方30°截面轴向、径向和环向速度沿径向分布规律。用V3V实验结果对比了2D-PIV（particle image velocimetry）数据中的尾涡涡对位置和涡量,涡对位置吻合度较好,但2D-PIV中涡量较V3V小37.5%;通过大涡模拟得到完整的尾涡结构,发现在叶片上边缘后侧存在一个和尾涡形成方式相同但不成对出现的涡结构;将大涡模拟结果和2D-PIV及V3V实验结果对比发现,大涡模拟在速度分布及尾涡运动轨迹方面均同实验结果吻合较好,表明大涡模拟能较好地预测涡轮桨搅拌槽内流场。     

涡轮桨搅拌槽内湍流特性的V3V实验及大涡模拟

分别用体三维速度测量技术(volumetric three-component velocimetry measurements,V3V)和大涡模拟(large eddy simulation,LES)方法对涡轮桨搅拌槽内流场进行研究,发现在完全湍流状态下,涡轮桨搅拌槽内流场的量纲1相平均速度及湍动能分布同Reynolds数无关。用V3V方法实现了Rushton桨叶附近三维流场的重构;探讨尾涡的三维结构及运动规律;分析了叶片后方30°截面轴向、径向和环向速度沿径向分布规律。用V3V实验结果对比了2D-PIV(particle image velocimetry)数据中的尾涡涡对位置和涡量,涡对位置吻合度较好,但2D-PIV中涡量较V3V小37.5%;通过大涡模拟得到完整的尾涡结构,发现在叶片上边缘后侧存在一个和尾涡形成方式相同但不成对出现的涡结构;将大涡模拟结果和2D-PIV及V3V实验结果对比发现,大涡模拟在速度分布及尾涡运动轨迹方面均同实验结果吻合较好,表明大涡模拟能较好地预测涡轮桨搅拌槽内流场。     

翼形桨搅拌槽内混合过程的数值模拟

采用FLUENT软件的多重参考系(MRF)及标准k-ε模型,将速度场与浓度场方程分开进行求解,对单层轴流式三叶CBY翼形桨搅拌槽内的混合过程进行了数值模拟,所得的混合时间的模拟结果与实验值相吻合。同时采用数值模拟的方法研究了不同的示踪剂加料点、监测点位置及操作条件对混合时间的影响规律;模拟结果表明,混合过程主要由搅拌槽内的流体流动所控制,混合时间与示踪剂加料点及监测点位置密切相关。上述的研究结果对于工业搅拌反应器的优化具有一定的参考意义。     

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。     

轴流桨搅拌槽内完全湍流的研究

为研究轴流桨搅拌槽内完全湍流状况,采用相位多普勒粒子分析仪(PDPA)对MK和ZHX搅拌器进行流场测试,得到不同工况下的时均速度场分布.应用渐近不变性方法,选取适当的特征尺度,给出挡板处壁面射流的轴向速度相似剖面,确定用于评定槽内完全湍流界限的轴向速度分布曲线,建立了搅拌雷诺数与搅拌槽内完全湍流流动达到的高度之间的线性关系.结果表明,非全槽完全湍流状态下,槽上部会出现过渡流区;随雷诺数的增大,搅拌槽内完全湍流流动达到的高度增大;不同型式搅拌器的完全湍流流场所需的雷诺数不同,单层桨搅拌槽内达到全槽完全湍流需要很大的搅拌功率.     

涡轮桨搅拌槽内单循环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单循环流动特性,采用Smagorinsky-Lilly动力亚格子模式,与文献实验及模拟数据进行了详细的比较. 结果表明,叶片后方的双尾涡偏向槽底运动,上尾涡在30o处已开始衰减. 800000个非均匀分布的计算网格和30个桨叶旋转周期的样本数据统计可获得准确的大涡模拟数据. 时均速度、均方根速度和湍流动能的大涡模拟值与实验数据一致,而k-e模型的模拟值与实验不符. 桨叶区呈现较强的各向异性,这是导致k-e模型预测不准确的主要原因. 对于搅拌槽内的复杂流动,大涡模拟方法是一个非常有效的工具.     

涡轮桨搅拌槽流动场数值模拟

在旋转坐标系下 ,采用k-ε湍流模型模拟了两个时间瞬间六直叶涡轮搅拌槽内流体流动状态 ,模型成功地再现了六直叶涡轮搅拌槽内“双循环”流动形式 .模拟结果表明当桨叶离底距离C/T =0 .16 7时 ,槽体内流动从径向流动转化为轴向流动 .模拟计算搅拌功率准数及桨叶排出流量准数与实验结果相差很小 ,数值模拟速度分布与实验测量结果吻合较好 ,且预测速度数值明显优于“黑箱”模拟方法     

偏心组合桨搅拌槽内层流混合过程的数值模拟

目前,处理高黏流体和对剪切敏感介质的层流搅拌槽的报道并不多见。本文建立了描述双层组合桨搅拌槽内高黏非牛顿流体层流流动、混合过程的数学模型,利用Laminar模型、多重参考系法（MRF）和示踪剂浓度法对其流场特性、示踪剂扩散过程进行数值模拟,分析搅拌槽内轴向速度曲线、示踪剂浓度响应曲线和混合时间。结果表明：中心搅拌中间面将介质阻隔在各自的半层内运动,偏心搅拌介质作全局运动,轴向混合能力突出;转轴中心搅拌依靠上下半层浓度差的增大向下扩散,转轴偏心搅拌通过不对称结构扩散示踪剂,叶轮相对转轴偏心搅拌则利用叶片的不对称分布;距离加料点较近和较远的监测点浓度响应曲线因振荡和调整,混合时间较长,处于中间面的监测点拥有最短的混合时间。     

半圆管曲面涡轮搅拌槽内混合特性的数值模拟

在商业化软件ANSYS CFX 10.0平台上,采用多重参考系法来解决挡板与桨叶之间的相对转动问题,由标准k-ε模型对半圆管曲面涡轮搅拌槽内流动和混合过程进行了详细的数值模拟,本模拟所得的功率准数和设计值以及相关文献值吻合良好。结果表明：当搅拌桨离底距离由搅拌槽直径的1/2处变为1/3处时,搅拌槽内的流型均为典型的“双循环流型”,而当搅拌桨离底距离由搅拌槽直径的1/3处降低至1/6处时,槽内流型由典型的“双循环流型”转变为“单循环流型”;通过对不同时刻不同桨叶离底距离下的示踪剂浓度分布图分析表明槽内的混合过程与流动场密切相关;加料点位置对于最终的流场混合效果有着显著影响,对于混合时间数据的采集应注意不同加料位置时监测点的选取。CFD模拟结果表明本文所采用的模型可以很好的预测半圆管曲面涡轮搅拌槽内的混合特性,为进一步改进和优化半圆管曲面涡轮的设计提供了一定的参考。     

组合桨搅拌槽内高黏流体混合特性的数值模拟

利用计算流体力学数值模拟方法,对直段桨为双螺带式和Paravisc式以及底桨为锚式和变径双螺带式的组合桨功率和混合时间进行了研究,并对其中最优桨型进行了放大规律的探索。通过数值模拟得到了4种组合桨中各单桨及组合桨的功率准数关联式,提出组合桨中各桨之间功率上的反作用关系。在10种组合桨中,Paravisc-锚式组合桨达到完全混合时所转圈数最少,且在相同转速下量纲一剪切量较大,混合特性最优,将其从体积为100 L的搅拌槽内放大至200 L和500 L搅拌槽中,发现其符合桨端线速度的放大准则。文中对各桨型的功率特性、混合特性和放大规律的分析,可为工业设计和优化高黏度流体组合桨参数提供重要参考。     

错位刚柔桨强化搅拌槽内流体混合实验及数值模拟

为消除搅拌反应器中混合隔离区,对标准刚性桨（R-RT）、错位刚性桨（PR-RT）和错位刚柔桨（PRF-RT）三种桨叶体系的流体混沌特性参数、流场结构以及流体运动速度进行了探讨。采用Matlab软件编程计算最大Lyapunov指数（LLE）和多尺度熵（MSE）,通过计算流体力学研究了三种桨叶体系流场结构和流体运动速度的差异。实验及计算结果表明,错位刚柔桨通过柔性桨叶的随机扰动破坏了隔离区介稳态流场边界,较大程度地消除了混合隔离区。PRF-RT的LLE相比于R-RT和PR-RT分别提高了13.29%和7.25%,MSE也较PR-RT和R-RT大;PRF-RT增强了流场不稳定性,形成了不对称性流场结构,减少了隔离区分布范围;PRF-RT强化桨叶能量耗散,提高了搅拌槽底部、顶部液面以及搅拌槽壁区域流体运动速度,减小了流体混合时间。     

涡轮桨搅拌槽内流场特性的V3V实验

用体三维速度测量技术（volumetric three-component velocimetry measurements,V3V）实验研究了涡轮桨搅拌槽内桨叶附近流场。通过速度数据得到三维流场特性,确定尾涡三维结构;分析了叶片后方30°截面轴向、径向和环向速度沿径向分布规律;对比了V3V和2D-PIV（particle image velocimetry）径向和轴向速度,发现速度分布吻合较好,特别是尾涡所在的射流区。用2D-PIV方法对尾涡发展规律进行研究,发现受流体自由液面影响,尾涡轨迹向上倾斜,并与水平方向成10°,上、下尾涡运动轨迹不对称,下尾涡运动比上尾涡稍快,衰减亦较快,这与V3V实验结果一致;叶片后方60°尾涡依然清晰可见。用V3V和2D-PIV方法对桨叶附近湍流各向同性假设进行了分析,发现桨叶区和尾涡所在位置湍动能被各向同性假设近似法高估了25%~33%,桨叶区和尾涡所在位置趋向于各向异性。     

双层涡轮桨偏心搅拌槽内的宏观不稳定性研究?

采用分离涡模型和 PIV 实验测试方法研究了双层桨偏心搅拌槽内的宏观不稳定性,通过对速度时间序列的频谱分析,讨论了搅拌桨的安装方式(单轴双桨和双轴双桨)及转动方向对宏观不稳定频率的影响,并与单层桨偏心搅拌进行了对比。研究发现,双层桨偏心搅拌的宏观不稳定频率稍低于单层桨偏心搅拌;搅拌桨安装方式及转动方向对双层桨偏心搅拌的宏观不稳定频率有明显影响：双轴双桨偏心搅拌时的频率稍高于单轴双桨偏心搅拌,搅拌桨反向旋转时的频率又高于同向旋转。