基于CFD对DTB结晶器内搅拌桨构型的优选

使用计算流体力学(CFD)数值模拟的方法,以单相流模型为基础,对DTB结晶器内的搅拌桨构型进行了优选。首先以20℃的水为介质模拟了搅拌槽内特定转速下的功率准数并与实验值进行了对比,较好地符合实际情况;后考察了DTB结晶器内3种不同的桨型、同种桨不同安装高度、双层搅拌桨不同安装间距对结晶器内速度、剪切速率、功率消耗及介质质量流率的影响。结果发现,此结构下的DTB结晶器,四斜叶桨性能总体要优于三叶推进桨和六直叶涡轮桨;搅拌桨安装高度为H/4时的性能要优于安装高度为H/3及H/5;双层搅拌桨时,搅拌桨间距较小时性能相对较好,但是此DTB结晶器中双层搅拌桨较单层搅拌桨的优点并不显著。     

改进型框式组合桨搅拌釜内流场特性

对5m³树脂反应釜及釜内改进型框式-二斜叶双层组合桨等比例缩小建立模型,基于计算流体力学（CFD）中的多重参考系法对该双层组合桨搅拌釜流场进行了模拟研究,并利用粒子图像测速（PIV）实验对模拟结果进行了验证。分析了桨叶离底间距、桨间距及组合桨安装角度的变化对流场产生的影响。随着离底间距的增大,搅拌釜下层框式桨横梁处产生往槽底的轴向流强度会逐渐减弱,不利于底部物料的混合;桨间距的增加导致两桨间对流减弱,不利于两桨间流体的混合,当桨间距与釜内径的比值为0.77时,搅拌釜内的整体流动情况较好。对上下层桨叶安装角度分别为0°、45°和90°这3种工况下的釜内流场特性研究表明,安装角度为90°时,斜叶桨产生的轴向流强度最大,此时搅拌釜内流体的混合效果最好。研究结果为改进型框式桨与二斜叶桨双层组合桨应用于树脂聚合反应实际工程提供参考。     

三叶后掠-HEDT组合桨搅拌釜内流场的模拟及实验

对应用于聚乙烯聚合反应中的三叶后掠-HEDT组合桨的搅拌釜内流场进行了模拟研究,分析组合桨的离底距C_1、桨间距C_2以及转速N的变化对搅拌釜内流场的影响,利用PIV实验对模拟结果进行了验证;将该组合桨与三叶后掠-六直叶圆盘涡轮组合桨进行了模拟对比研究。结果表明:当桨间距与釜内径的比为0.35时,釜内桨叶间的流体流动效果最好,该条件下能够改善搅拌釜上层流体的速度分布;当离底距与釜内径的比值为0.29时,组合桨下方出现了整体的环流,有利于釜底流体的混合;桨叶转速N=90 r/min时釜内流体速度分布均匀,同时上层HEDT桨叶产生的射流方向趋于水平。两种组合桨的对比研究表明:二者流型相近,但前者搅拌功率能够得到明显降低。研究结果可为三叶后掠-HEDT组合桨在聚乙烯聚合反应釜中的工程应用提供参考。     

制备生物柴油反应釜内固液悬浮特性数值模拟

针对利用固体酸催化剂制备生物柴油反应釜内固液混合均匀性问题,选择了具有不同叶轮组合的双层搅拌桨:上层叶轮为A200下层叶轮为A100(A1)和上层叶轮为A100下层叶轮为A200(A2)。基于计算流体力学(CFD)方法,采用Mixture多相流模型对固体酸粒子在反应釜内固液悬浮特性进行数值模拟,获得两种桨结构反应釜内固体酸粒子完全离底的临界悬浮转速,并考察不同工况对反应釜内固体酸粒子速度、浓度分布及均匀性影响。结果表明:相同粒径条件下,A1反应釜中粒子的临界悬浮转速小于A2反应釜;提高搅拌转速、减小粒子粒径有利于提高固体酸粒子运动速度,体积分数对固体酸粒子速度的影响较小;当搅拌转速、粒子粒径和体积分数分别为980 r/min、0.3 mm、0.75%时,A1反应釜内固体酸粒子浓度分布的标准偏差较A2而言,下降了4.25%、4.25%、2.58%,说明搅拌桨A1对釜内固体酸粒子分布的均匀性优于搅拌桨A2。     

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。     

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。     

三叶后掠-HEDT组合桨搅拌釜内流场的模拟及实验

对应用于聚乙烯聚合反应中的三叶后掠-HEDT组合桨的搅拌釜内流场进行了模拟研究,分析组合桨的离底距C ₁、桨间距C ₂以及转速N的变化对搅拌釜内流场的影响,利用PIV实验对模拟结果进行了验证;将该组合桨与三叶后掠-六直叶圆盘涡轮组合桨进行了模拟对比研究。结果表明：当桨间距与釜内径的比为0.35时,釜内桨叶间的流体流动效果最好,该条件下能够改善搅拌釜上层流体的速度分布;当离底距与釜内径的比值为0.29时,组合桨下方出现了整体的环流,有利于釜底流体的混合;桨叶转速N=90 r/min时釜内流体速度分布均匀,同时上层HEDT桨叶产生的射流方向趋于水平。两种组合桨的对比研究表明：二者流型相近,但前者搅拌功率能够得到明显降低。研究结果可为三叶后掠-HEDT组合桨在聚乙烯聚合反应釜中的工程应用提供参考。     

自吸射流柔性搅拌桨振动特性

为了研究工况对新型自吸射流柔性搅拌桨的影响，运用实验和单向流固耦合数值模拟分析了装置的搅拌功耗、搅拌桨应力分布和振动特性。结果表明，相同工况下柔性Rushton搅拌桨的功率准数比自吸射流柔性搅拌桨高121.93%，并随Reynolds数的提高而减小。自吸射流柔性搅拌桨在支架与桨叶连接处应力最高，在本文研究范围内最大应力低于材料的许用应力。对自吸射流柔性搅拌桨在静模态和预应力模态下的固有频率和振型进行对比分析，两种模态前8阶为弯曲型，后4阶为扭变型；与静模态相比，预应力模态下固有频率和振型最大值的最大偏差分别为0.25%和27.56%。随着搅拌桨的转速和介质运动黏度提高，搅拌桨预应力模态固有频率增大，但同阶固有频率增长比变化较小。自吸射流柔性搅拌桨搅拌效率优势明显，本研究为多种工况下搅拌桨的强度和稳定性提供基础数据。     

小型反应釜单、双层搅拌桨流场数值模拟比较

小型搅拌釜是实验室常用反应设备.采用CFD数值模拟的方式,采用SST湍流模型,采用多重参考系法分别对单层和双层搅拌桨小型搅拌釜的流场进行模拟,比较两种搅拌桨模型的桨叶区速度场、湍流强度分布以及线速度分布等预测结果,筛选适合小型反应釜的搅拌桨设计.     

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。     

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。     

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。     

粉体混合过程及搅拌功率的DEM数值模拟和实验

采用数值模拟与功率测试相结合的方法,研究直叶桨式粉体混合机搅拌过程及搅拌功率、扭矩的变化规律。对粉体混合机内球形颗粒的混合过程进行离散单元法DEM数值模拟,研究直叶桨式粉体混合机内搅拌转速、搅拌桨直径、桨叶数目等特性参数对粉体混合时搅拌功率和扭矩的影响,并拟合得到功率计算公式。搭建粉体搅拌试验台,测试粉体搅拌功率并与模拟结果比较。结果表明,直叶桨式粉体混合机内功率消耗与搅拌桨转速、搅拌桨直径、桨叶数目等特性参数有密切关系。同时,扭矩值和功率值与搅拌桨转速、搅拌桨直径和桨叶数目都呈正相关。实验得到了与模拟类似的扭矩-转速关系以及功率-转速关系,模拟值与测试值具有较好的吻合性,验证了所推导公式的准确性。     

搅拌槽内的液-液临界分散

在φ391mm搅拌槽中,分别采用双层Brumagin桨、双层三叶后掠式桨和双层A310桨与7种内构件相组合,在无乳化剂下对油水比(质量比)分别为1∶1.5,1∶2.0的煤油-水体系的液-液临界分散进行了研究。从工业实用的角度出发,对前两种桨找到了一种可替代“轻液挡板”的小挡板及其安装方法:内冷管上均布4块小挡板,B/D=0.08,插入液面深度为0.2D。在φ188mm搅拌槽中,于全挡板条件下,以歧化松香皂为乳化剂,分别采用3种不同几何参数的双层Brumagin桨对油水质量比为1∶1.5的煤油-水体系的临界分散进行了研究。结果表明,与无乳化剂情况相比,液-液临界分散转速(N_c)下降30％～40％,临界分散功耗(P_(cv))下降53％～66％;桨径减小会使N_c和P_(cv)增加。     

光学玻璃新搅拌方式的模型试验

光学玻璃自有搅拌以来都是采用水平回转的搅拌方式。这种搅拌方式存在着根本的弱点:上下均化能力差及易产生中心条纹。由于玻璃组分的比重差别、熔制时产生的表面挥发、耐火材料的侵蚀等原因,坩埚内熔体在高度上的不均匀程度远大于同一水平面上的不均匀程度,并且前者在熔制过程中的变化比后者大得多。因此水平回旋的搅拌方式与这种状况是不相适应的。 为此,设计了一种新的垂直回旋的搅拌机构,用模拟方法分析了水平回旋搅拌方式的缺点,对比了水平回旋及垂直回旋二种搅拌方式的效率。试验表明垂直回旋方式的搅拌可用形状较为简单的搅拌桨达到较高的搅拌效率。     

双层桨搅拌假塑性流体混合特性的数值模拟

在直径为0.21 m的搅拌槽内,采用计算流体力学的方法,工作介质为质量分数1.0%的假塑性流体和1.5%的黄原胶水溶液,分别对错位六弯叶桨、六弯叶桨与45°三斜叶桨组成的双层桨混合性能进行了数值模拟,并做了对比分析,考察了层间距对搅拌流场的影响,探讨了不同形式的组合桨对混合特性的影响,确定了不同搅拌转速下较为适宜的层间距,并将错位六弯叶组合桨形式应用于FCC催化剂成胶搅拌过程。结果表明:在层流状态下,6PBT组合桨层间距为时可形成层间连接流,在过渡流区域时,层间距保持在左右比较适宜;6PBT组合桨在混合速率和混合效率方面都有一定优势。根据中试实验结果,催化剂颗粒耐磨损指数由2.6提高到了1.9,产品质量得到进一步提高,且节能在15%左右,因此是一种值得推广的双层组合搅拌器形式。     

不同桨型组合淤浆聚合釜内固液悬浮特性研究

针对高密度聚乙烯搅拌式聚合釜物料体系,利用三叶后掠式搅拌桨HQ、抛物线圆盘涡轮式搅拌桨BTD、三宽叶旋桨式搅拌桨KHX、桨叶安放角δ分别为45°和75°的斜叶圆盘涡轮式搅拌桨ZY和平直叶圆盘涡轮式搅拌桨PY构成四种桨型组合,在直径T=480 mm的圆柱形有机玻璃搅拌槽内进行了固液悬浮实验。基于计算流体力学软件Ansys Fluent 2020R2,采用多重参考系法以及欧拉-欧拉多相流模型,研究了各桨型组合在30.71%固含率下的流场和固液悬浮状态。研究结果表明,转速小于250 r/min时,桨型组合2和3在搅拌槽内顶部会形成清液层;桨型组合1和4能在更低转速和更低功率的情况下达到物料的均匀混合状态,且桨型组合4比桨型组合1的功率消耗降低约30%,具有高效节能的效果。模拟获得的固含率分布趋势与实验所测数值吻合较好。模拟的流场表明桨型组合4和1的流型相似,可以有效避免桨型组合2和3在低转速下出现的清液层。     

多叶片组合式搅拌桨釜内流动特性和混合性能研究

开发可适用于较宽黏度范围的搅拌桨,强化釜内的流体流动和混合过程对于搅拌釜的节能增效具有重要的意义。实验与数值模拟相结合,在大涡模拟层面研究了多叶片组合式搅拌桨(MBC桨)从层流到湍流状态下,釜内的功率特性、流场分布、湍流特性和混合性能。结果表明:预测的功率曲线与实验结果一致;层流状态下釜内以切向流动为主,随着Reynolds数(Re)的增大,釜内轴向和径向流动逐渐增强,当Re达到486时,速度场分布与湍流状态下基本一致;在相同的能耗水平下,MBC桨对高黏度流体的混合性能优于商业Maxblend桨。桨叶的分散组合布置,强化了釜内的轴向和径向流动,使得MBC搅拌桨在从过渡流到湍流状态下均可实现较大的轴径向流动,湍动能分布较为均匀,混合过程显著加快。     

两层桨搅拌釜内混合过程的新二维单元串联模型

在直径为 1 86mm的立式搅拌釜内 ,利用热电偶—温差法测量了两层组合桨搅拌釜内的液相混合时间 ,试验中采用的搅拌桨有直叶圆盘涡轮和斜叶涡轮 (上推式斜叶涡轮 PTU和下压式斜叶涡轮 PTD) ;根据激光多谱勒测速仪对流场的测量结果 ,提出了一种新的二维单元串联模型 ,用该模型对两层组合桨搅拌釜内的混合过程进行了模拟 ,发现模拟值和实验值吻合较好。     

新型组合搅拌桨的混合性能研究

根据聚苯乙烯反应的工艺特点,开发了一种新型双轴组合搅拌桨,与双层斜叶浆和锚式桨进行了对比实验,并用粒子成像测速技术系统分析了流场速度分布,研究了其混合性能。