固液搅拌槽内多颗粒临界悬浮特性的研究

摘要

固液搅拌槽广泛应用于各类工业过程中.设计搅拌反应器最为关键环节为在确定临界悬浮转速的后,可得到过程所需的最小输入功率.以往关于颗粒悬浮的研究大多着眼于在大量实验基础上建立关联式来预测临界悬浮转速,但究其本质还需要对颗粒本身进行受力分析;在此基础上关联力与临界悬浮转速,对实验与理论研究有很重要的指导作用.本文从实验和数值模拟两方面研究带有Rushton涡轮方形搅拌槽内多颗粒临界悬浮特性和规律.实验利用高速摄像技术捕捉整个悬浮过程中多颗粒在槽底部和上升过程中的运动特性,得到了颗粒悬浮前在搅拌槽底中心形成的典型结构,如:三角形和六边形结构.为了降低本次研究的复杂程度,搅拌雷诺数不超过20,可认为实验工况是层流.实验结果表明:层流条件下,多颗粒完全离底悬浮的临界悬浮转速比单颗粒的高,电机加速度的不同会导致多颗粒悬浮特性的变化,并且颗粒悬浮前形成的稳定结构对颗粒悬浮起着关键性作用.文中还采用了基于格子Boltzmann方法的直接数值模拟,对实验工况下的流场进行全解析,包括:流场的速度矢量分布、压强场分布.固液边界采用了浸入式边界法,得到颗粒受到流体的作用力、扭矩以.模拟颗粒与颗粒相互作用时,引入了润滑力模型.颗粒的底部运动轨迹、上升轨迹、上升速度与实验结果吻合较好.此外,在颗粒受力平衡分析与模拟基础上,构建本工况下多颗粒所受水力学力模型.计算结果表明:即使竖直方向上的水力学力小于颗粒净重力,但在扭矩的作用下颗粒仍能离底悬浮.