无挡板CSTR内部流场及颗粒分布的CFD模拟研究

为探究无挡板连续搅拌式反应釜（CSTR）内部流场分布及颗粒运动情况,采用计算流体力学（CFD）,在欧拉-拉格朗日模型的基础上对三种搅拌釜工况进行了研究分析。同时,探讨了粒径为100,300和500μm的颗粒在各个工况下的混合情况。研究表明：在时间为0～100 s时,初始搅拌釜内颗粒的平均速度相较于初始时增加了39.22%,达到了1.479 7 m/s,搅拌釜内的流场平均速度为1.737 2 m/s,颗粒的平均速度与流场速度呈现相近的趋势;搅拌桨位于罐内中间位置时,颗粒分布最为均匀;采用双层搅拌桨时,颗粒速度得到了显著的提升,最大颗粒速度可达到4.238 3 m/s。     

偏心搅拌的流动、悬浮和混合特性

在直径476 mm的平底圆柱形搅拌槽内,研究了CBY型搅拌桨偏心搅拌的漩涡运动轨迹、漩涡深度规律、上浮颗粒均匀下拉转速、混合时间等特性与偏心率的关系.结果表明,偏心率约为0.45时,漩涡中心分别随偏心率增加作线性与弧线运动,运动轨迹满足一定规律.漩涡深度受偏心率影响远大于转速与物料粘度.偏心率对液位下降率的影响程度是转速的1.9倍,是物料粘度的4.4倍.漩涡深度随偏心率增大而减小,并满足一定线性规律.直径4 mm的聚氯乙烯颗粒均匀下拉转速随偏心率增加先减小后增大,最低值时偏心率为0.4~0.5.液位由0.6T上升到1.0T(T为搅拌槽内径),最佳偏心率转速增加了20.3%,搅拌功耗增大.加装单一挡板改变槽内液体流场,漩涡消失,相同加料位置全挡板混合时间较无挡板时缩短66.9%,混合效果明显增强.     

垂直轴5叶片阻力型风力机的动态特性

采用CFD对风轮直径为4 m的垂直轴5叶片阻力型风力机的瞬态流场进行数值模拟. 通过对不同入口风速和风力机转速条件下风力机流场和力矩系数随时间的变化情况的计算模拟,分析了垂直轴5叶片阻力型风力机的动态特性. 结果表明,流场和力矩系数的变化具有周期性,随转速增加,力矩系数的均值和周期均减小,振荡幅度增大;随风速增加,力矩系数均值和振荡幅度均大幅上涨. 力矩系数呈调制波形式,风速对曲线形态有较大影响. 随风速增大,风力机的最佳转速和风能利用率逐渐增加. 当入口风速从7.5 m/s增加到9 m/s时,风力机的最佳转速和风力机的风能利用率最大值分别从13 r/min和23.2%增加到19 r/min和25.8%.     

基于颗粒动力学理论的搅拌器中固液流动的数值模拟

在欧拉双流体模型基础上引入颗粒动力学理论(KTGF),对带挡板圆盘涡桨式搅拌器内的固液两相流动进行数值模拟。结果表明,搅拌器底部颗粒温度分布与固相浓度分布趋势吻合,转速低于600 r/min时,槽底会形成明显的颗粒沉积,转速从600 r/min增至1500 r/min,堆积区向轴中心收缩,基于颗粒动力学理论可以合理解释挡板及叶轮转速对固相浓度分布的影响。随叶轮转速增大,搅拌器内固液两相湍流运动加剧,颗粒温度、湍动能及轴向速度增加,颗粒分布更均匀,但达到完全悬浮状态后颗粒温度趋于稳定。搅拌器底部和挡板处颗粒堆积导致了局部颗粒浓度增加及颗粒平均自由行程减少,颗粒温度反而降低;同时挡板布置使搅拌器内形成了双循环回路,加强了流体的湍流程度,增强了湍动能,但导致颗粒在挡板处积聚,不利于固相在挡板处均匀分布。     

转鼓中皮革运动特征及其对化学品传质的影响

皮革在转鼓内吸收化学品期间,会持续地受到浴液的冲刷和转鼓的机械作用,自身发生剧烈形变,因而化学品进入皮革的传质过程十分复杂。针对此过程,采用透明可视装置探究了皮革在转鼓内的运动特征,并分析运动参数对化学品传质过程的影响。研究结果表明：转鼓转速从8 r/min提高至16 r/min时,皮革平均运动速率会从185 mm/s增大至284 mm/s、平均加速度从516 mm/s²提升至656 mm/s²;其下降运动状态时间占比从59%增加至65%,化学品传质速率从31.19 mg/(m²·s)提高至38.36 mg/(m²·s),转速高时皮革的纤维分散度好,说明转鼓中皮革的运动特征随转速增大而明显变化,并对化学品在皮革内的传质速率有显著影响。     

基于SSG模型的旋转流场特性分析

以磁力搅拌器旋转产生的旋转流场为研究对象，运用雷诺应力输运模型——SSG模型对流场分布特性进行数值模拟。借助PIV、HSV技术对旋转流场切向速度和轴心气核形态开展研究。得出不同转速条件下旋转流场的切向速度和气核形态分布规律。将数值模拟结果与实验结果进行对比，结果表明：当磁性转子转速为900 r/min时，中心处切向速度为0.161 m/s，边壁流体切向速度为0.028 m/s，随着转子转速增加至2 100 r/min时，中心处切向速度为0.477 m/s，边壁流体切向速度为0.043 m/s，切向速度实验值和数值模拟值最大偏差为4.7%，数值上呈现出了较好的一致性。将数值模拟得出的不同转速条件下的气核分布形态与HSV实验所得结果进行对比，得出当磁性转子转速为900 r/min时，气核深度最大差值是2 mm，偏差为4.2%；转速为1 440 r/min时，最小差值为0.3 mm，偏差为0.5%，具有较好的一致性。     

旋转填料床气相流场数值模拟

为解决旋转填料床内部流场较为复杂,实验流体力学基础理论研究缺乏的问题,通过计算流体力学软件FLUENT,采用正交试验法研究了填料转速、气体进口速度和填料的孔隙率对于气体流场径向速度不均匀系数的影响情况。结果表明,当填料转速1 000 r/min、气流速度2 m/s、填料孔隙率0.5时,能使径向速度保持最好的均匀性分布,同时影响RPB截面径向气流速度均匀性按显著程度依次为填料孔隙率〉气体进口速度〉填料转速。     

宣钢旋流顶燃式热风炉传输现象的研究

针对宣钢旋流顶燃式热风炉的燃烧室,建立了气体流动、传热及燃烧的数学模型,通过数值模拟研究了燃烧室的流场、温度场和CO浓度场.结果表明,热风炉燃烧室出口速度和温度分布很不均匀;由于空气过剩系数过低,导致燃烧室出口有6%的CO剩余,火焰贴近燃烧室壁面,严重影响热风炉的寿命.将空气过剩系数增加到1.05后比较发现,燃烧室出口CO质量分数低于1%,火焰分布更加合理,增加燃烧室高度能有效提高燃烧室出口速度和温度的分布均匀性,速度最大差由10m/s降到约2m/s,温度最大差由140℃降到约90℃.     

氧气顶吹转炉的三相流数值模拟

对超音速氧气射流作用下85 t转炉熔池中的渣液和钢液进行了多相流数值模拟研究,分析了熔池内钢液的速度场. 结果表明,随喷吹枪位升高,射流冲击形成的渣坑和钢液凹坑的直径变大,而渣坑与钢液凹坑的深度变小. 当枪位从1.2 m提高到1.8 m时,射流冲击形成的钢液凹坑的直径从1.359 m提高到1.566 m,凹坑深度从0.187 m降低到0.157 m. 同时钢液面下0.2 m处钢液的最大速度从0.48 m/s降低到0.27 m/s;而在熔池液面下0.8 m处,最大速度由0.06 m/s增加到0.09 m/s. 高枪位下熔池钢液速度分布更均匀.     

涡流空气分级机进口风速和转笼转速匹配研究

为寻求涡流空气分级机进口风速和转笼转速的最佳匹配,利用Fluent软件对涡流空气分级机内部流场进行模拟分析,得出:当进口风速与转笼外缘的切向线速度相等或相近时流场最稳定。在流场较稳定的前提下,较高进口风速和转笼转速时,环形区湍流耗散率更大,更有利于物料的分散及分级。碳酸钙物料实验表明:转笼转速分别为800 r/min和1 200 r/min时,取进口风速分别为9 m/s和12 m/s,分级精度和牛顿分级效率都较高。其中进口风速为12 m/s,转笼转速为1 200 r/min时,分级精度和牛顿分级效率最优。该结论为利用涡流空气分级机进行分级合理调节进口风速和转笼转速提供理论依据。     

旋转膜乳化法制备均一魔芋葡苷聚糖凝胶微球

以天然多糖魔芋葡苷聚糖(KGM)为材料,采用旋转膜乳化法结合化学交联法制备均一的魔芋葡苷聚糖凝胶微球,以3种不同粘度的12%(w) KGM水溶液为分散相(水相)、液体石蜡(LP):石油醚(PE)混合油相为连续相,考察了乳化剂种类对KGM乳液稳定性的影响及水相粘度、油相配比和膜管转速对KGM成球的影响. 结果表明,KGM水相粘度越高,相应的最佳油相粘度越低,最佳KGM水相粘度为1548 mPa×s,最佳油相体积比为LP:PE=5:1,最优膜管转速为400 r/min,利于KGM乳液稳定的乳化剂是4%(w) Span 80. 该条件下制得粒径约70 μm、粒径分布系数Span<1.0的均一KGM微球.     

最大叶片式桨在假塑性流体中的搅拌流场模拟

为研究最大叶片式桨在高黏假塑性流体中的搅拌流动行为,以黄原胶溶液为研究体系,采用计算流体力学方法重点研究了釜内流体的功耗特性、速率分布、剪切速率、表观黏度分布和总体流动状况。结果表明:最大叶片式桨具有与大多数径流桨相似的"双循环"流型结构,且预测的功耗特性与实验数据一致性良好。最大叶片式桨适用于高黏假塑性流体的混合,而对于高黏牛顿流体的混合则效果不佳。釜内的剪切速率分布较宽泛,且受转速影响较大。转速可作为该桨改善黄原胶体系混合效率的重要参数之一。     

不同型式搅拌桨对黄原胶水溶液搅拌效果的CFD数值模拟

使用FLUENTa软件对黄原胶溶液在搅拌槽内的流动特征、桨叶搅拌效果和功率消耗进行了数值模拟. 计算采用多重参考系方法和标准k-e湍流方程. 黄原胶浓度为0~2.0%(w),桨型为直叶圆盘涡轮、非对称抛物线圆盘涡轮和四斜叶桨. 结果表明,不同桨型下溶液的粘度分布有较大差异,且搅拌效率随溶液浓度增加急剧下降,转速增加能有限提高搅拌效率. 径流桨和轴流桨产生的功率消耗随溶液浓度改变呈相反的变化趋势. 在黄原胶浓度2.0%(w)、搅拌转速7.5 r/s时,所有桨型下有效搅拌体积所占比例均低于60%;与在水中相比,直叶圆盘涡轮的功率消耗降低约7%,而四斜叶桨的功率消耗增加29%.     

黄原胶的化学改性及溶液黏度特征

黄原胶-OH与马来酸酐发生酯化反应,合成了具有更好黏度特征的改性黄原胶MX。合成反应的最佳条件:XG与MA摩尔比1∶11,温度70℃,反应时间24h,产率57.7%。MX比XG有更好的的溶解分散性;当聚合物浓度由7g·L-1增至8g·L-1时,XG的黏度增加了240mPa·s,而MX70的黏度增加了582mPa·s;1.2%NaCl溶液中,2g·L-1MX70黏度为234mPa·s-1,而XG黏度为95mPa·s;3g·L-1的聚合物溶液,pH值为4时MX70、XG表观黏度分别为284、178mPa·s,pH值为11时MX70、XG表观黏度分别为262、152mPa·s;3g·L-1的聚合物溶液,温度从20℃增至80℃,表观黏度依次下降,但MX70黏度下降率比XG减少18.7%。与XG相比,改性后的黄原胶MX增溶性良好、溶液黏度明显提高、耐温耐盐性增强,对油田钻井液增黏剂的研究及应用具有重要的指导意义。     

错位六弯叶桨搅拌假塑性流体流场宏观不稳定性数值模拟

采用分离涡模型,对错位六弯叶（6PBT）搅拌槽内流场结构和宏观不稳定性（MI）进行了数值模拟。工作介质分别选用去离子水和不同质量分数的黄原胶水溶液,并将水的速度场分布与PIV实验结果进行了比较。通过采集监测点的速度时间序列,结合MATLAB软件编程,计算得到流场宏观不稳定频率的变化。结果表明：流场结构和速度矢量的计算值与PIV实验数据吻合较好,分离涡模型的计算结果可靠;提高转速,槽内假塑性流体MI频率峰值增大,脉动强度提高,当转速达到225 r·min^-1时,MI频率特征消失,频谱图呈现谱带现象,意味着流场进入混沌;流体的流变性对MI没有影响,MI现象是流体流动的共有特征。     

STUDIES OF MIXING IN A CONCENTRIC TUBE AIR-LIFT REACTOR CONTAINING XANTHAN GUM BY MEANS OF AN IMPROVED FLOW FOLLOWER

The influence of a pseudoplastic non-Newtonian fluid upon the hydrodynamic performance and mixing parameters of a concentric tube air-lift fermenter has been studied using a range of dilute xanthan gum solutions (0-0.5% weight by volume). Liquid circulation times vary in a complex pattern with increasing gum concentration. At low concentrations, circulation was more; rapid due to drag reduction whilst at the highest concentrations circulation times were increased. The column voidage decreased with increasing gum concentration and bubbly flow in the riser was replaced by slug flow. For all gum concentrations the effective dispersion coefficient for a single passage around the loop was increased relative to tap water. An improved radio-pill flow follower system for hydrodynamic studies is described.     

Experimental investigations of non‐Newtonian/Newtonian liquid‐liquid flows in microchannels

The plug flow of a non‐Newtonian and a Newtonian liquid was experimentally investigated in a quartz microchannel (200‐µm internal diameter). Two aqueous glycerol solutions containing xanthan gum at 1000 and 2000 ppm were the non‐Newtonian fluids and 0.0046 Pa s silicone oil was the Newtonian phase forming the dispersed plugs. Two‐color particle image velocimetry was used to obtain the hydrodynamic characteristics and the velocity profiles in both phases under different fluid flow rates. The experimental results revealed that the increase in xanthan gum concentration produced longer, bullet‐shaped plugs, and increased the thickness of the film surrounding them. From the shear rate and viscosity profiles, it was found that the polymer solution was in the shear‐thinning region while the viscosity was higher in the middle of the channel compared to the region close to the wall. Circulation times in the aqueous phase increased with the concentration of xanthan gum. © 2017 The Authors AIChE Journal published by Wiley Periodicals, Inc. on behalf of American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 63: 3599–3609, 2017     

基于动态硼酸酯键改性黄原胶的性能

基于苯硼酸聚合物可以与存在于黄原胶糖环单元结构中的伯、仲醇羟基通过硼酸酯键形成动态共价微交联结构的性质对黄原胶进行改性。以偶氮二异丁基脒二盐酸盐（AIBA）为引发剂，通过水相自由基聚合，制备了不同共聚比的丙烯酰胺（AM）、N-(3-二甲氨基丙基)丙烯酰胺（DMAPAM）和3-丙烯酰胺基苯硼酸（AMBB）的三元共聚物P(AM-co-DMAPAM-co-AMBB)。通过1H NMR、FTIR、元素分析和光散射对聚合物结构及相对分子质量进行了表征，并对其与黄原胶复配体系的增黏性、流变性、抗老化性及抗干扰性进行了评价。结果表明：P(AM-co-DMAPAM-co-AMBB)与黄原胶复配后对黄原胶溶液具有明显的增黏性，其中苯硼酸单体的摩尔比为1.0 mol%的聚合物对黄原胶溶液的增黏幅度达43.8%，在8074 mg/L的矿化水中增黏幅度高达56.4%，且复配体系具有良好的抗老化降解性，对乙二醇和1,3-丙二醇具有较强的抗干扰性。     

STUDIES OF MIXING IN A CONCENTRIC TUBE AIR-LIFT REACTOR CONTAINING XANTHAN GUM BY MEANS OF AN IMPROVED FLOW FOLLOWER

The influence of a pseudoplastic non-Newtonian fluid upon the hydrodynamic performance and mixing parameters of a concentric tube air-lift fermenter has been studied using a range of dilute xanthan gum solutions (0-0.5% weight by volume). Liquid circulation times vary in a complex pattern with increasing gum concentration. At low concentrations, circulation was more; rapid due to drag reduction whilst at the highest concentrations circulation times were increased. The column voidage decreased with increasing gum concentration and bubbly flow in the riser was replaced by slug flow. For all gum concentrations the effective dispersion coefficient for a single passage around the loop was increased relative to tap water. An improved radio-pill flow follower system for hydrodynamic studies is described.     

重力出流式膜生物反应器污泥浓度的优化控制

采用重力出流式膜生物反应器(Membrane Bioreactor, MBR)工艺对生活污水进行了实验研究. 重力出流式MBR是利用液位水头重力驱动出水,整个系统结构紧凑,操作简便. 结果表明,随着污泥浓度增大(3.9~18.4 g/L),同样的曝气强度对膜表面滤饼层的剪切能力降低,膜通量下降;污泥粘度从5.4 mPa×s上升到680 mPa×s,相应的污泥中的传氧系数与清水中的传氧系数之比a从0.89降到0.10. 因此,从提高膜通量、氧传递速率和降低能耗的角度出发,将MBR的污泥浓度控制在适当范围是非常必要的. 此外,当污泥浓度大于4.8 g/L,污泥浓度的提高对有机物的去除、硝化以及反硝化速率的提高没有明显的贡献. 因此,从MBR的处理能力和运行能耗的双重影响确定MBR的最佳处理污泥浓度值为4~6 g/L,在该浓度区间,生物反应器系统对冲击负荷有较好的抵御能力,同时系统的运行能耗也较低.