刚柔组合桨强化流体混合的实验与数值模拟研究

摘要

搅拌桨作为机械搅拌反应器中的主要部件之一，它能在搅拌反应器工作时提供给流体一定的流动状态和适合的能量，对它进行合理设计是流体实现节能和高效混合的重要途径。搅拌过程中能量的耗散主要发生在桨叶后的尾涡处和桨叶外缘，大约占据了搅拌桨总输入机械能的70％。以刚性材质为主的传统搅拌桨通过对流体聚并与剪切作用实现能量的传递，混合效率低及能耗高；而周围流体与刚-柔结合的搅拌桨的桨叶柔性端存在耦合作用，它可从“卡门涡街”中汲取能量，进而提高混合效率。
　　流体混合效率和搅拌桨结构有直接关系，流体与柔性桨叶之间存在力的耦合作用，搅拌桨柔性尖端叶片在流体载荷作用下会产生一定量的变形或位移，叶片的位移或变形又可以反过来影响流场变化，引起流体载荷分布和大小的转变，从而影响流体混合。因此，数值模拟中的流固耦合分析方法可用于指导刚柔组合桨搅拌反应器设计与研究流体混合行为。
　　本文以自来水和空气-自来水为搅拌介质，结合采集的压力脉动信号和扭矩时间序列，借助Matlab软件和小波分析方法计算LEmax分析体系的混沌混合特性；利用碘液脱色法和流场可视化方法测试体系的混合时间、混合效果以及采用轴上扭矩法计算搅拌桨功耗分析体系的宏观混合性能；并结合ANSYSWorkbench仿真平台、双向流固耦合及张量分析方法计算流场的速率特性、气含率以及搅拌桨的总变形量、等效应力；同时，运用数值计算方法对工业中搅拌反应器的结构进行优化改进。具体研究内容如下：
　　①以自来水作为单相流混合体系，本文对比分析了刚性桨和刚柔组合桨体系LEmax、混合时间、速率特性以及两种搅拌桨的功耗、总变形量、等效应力。结果表明：在转速为120rpm时，刚柔组合桨使体系LEmax增大了20%，混合时间缩短了32%，搅拌桨功耗下降了6%，其桨叶尖端的变形量是刚性桨的105倍，其应力比刚性桨增加了83%；与刚性桨相比，刚柔组合桨在流固耦合作用下对流体的作用力更大，能够更好地传递能量、增强流体运动及强化流体混合。
　　②以空气-自来水为气液两相流混合体系，本文对比分析了刚性桨和刚柔组合桨体系LEmax、气液混合行为、速率特性、气含率。结果表明：在转速为180rpm，空气流量为1500L/h时，刚柔组合桨使单层桨体系LEmax增加了21%、双层桨体系LEmax增加了5%，且气泡的混合程度优于刚性桨；而刚性桨给流体提供了较强的剪切作用，提高了气泡的破碎能力，增加了体系中气泡的数目。
　　③结合流场结构分析，在浸出搅拌反应器中调整双层桨的层间距为1800mm以及安装三层桨或导流筒，或在高速分散反应釜中调整双层桨的层间距为1120mm、安装高度为400mm、直径为800mm，都可加强反应器内流体的轴向流动，减小“死区”范围，进而改善流场结构的均匀分布，有助于强化流体混合。这表明数值模拟方法可用于工业生产中搅拌反应器结构的优化改进。

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目录

1 绪 论

1.1 课题研究背景

1.2 搅拌设备

1.3 国内外研究现状

1.4 课题研究目的和研究内容

2 刚柔组合桨强化单相流体混合的实验研究

2.1 实验装置

2.2 实验方法

2.3 实验结果

2.4 本章小结

3 刚柔组合桨强化单相流体混合的数值模拟研究

3.1 模型分析及建立

3.2 网格划分及网格无关性验证

3.3 边界条件设定及求解方法

3.4 计算结果及讨论

3.5 本章小结

4 刚柔组合桨强化气液两相流体混合的实验研究

4.1 实验装置

4.2 实验方法

4.3 实验结果

4.4 本章小结

5 刚柔组合桨强化气液两相流体混合的数值模拟研究

5.1 模型分析及建立

5.2 网格划分及网格无关性验证

5.3 边界条件设定及求解方法

5.4 计算结果及讨论

5.5 本章小结

6 数值模拟方法在工业设备中的实际应用

6.1 数值模拟方法在浸出搅拌反应器中的应用

6.2 数值模拟方法在高速分散反应釜中的应用

6.3 本章小结

7 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

致谢

参考文献

附录 A．作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录