层流搅拌槽内三维混沌混合流场数值模拟及可视化实验研究

摘要

层流搅拌槽在化学工业、生物工程、制药工程、材料加工等领域有着广泛的应用。当所处理的介质对剪切力敏感时，搅拌的速度很低，流动的雷诺数很小，从而使混合效率降低。在层流搅拌槽内诱发混沌混合可以有效地提高混合效率，缩短混合时间。本文主要对层流搅拌槽内混沌混合的形成机理、混合特性、影响因素以及在工程实际上的应用作了理论分析、数值模拟以及可视化实验的研究。 1.对混沌混合增强混合效率的原理进行介绍，提出一种非周期、非对称三维混沌混合的构想，运用叶轮运动的非周期性以及叶轮结构及其在搅拌槽中布置的非对称性，来增加对搅拌槽中层流流体的搅动，诱发三维混沌混合现象，提高混合效率。 2.使用CFD仿真软件对搅拌槽内的三维层流混和进行仿真和模拟。模拟了以下四种不同情况下的三维层流流场：同心六叶片叶轮，转轴相对于叶片偏心的六叶片叶轮，转轴叶片都相对于桶偏心的六叶片叶轮，同心三叶片叶轮，并对所产生的三维流场进行了后处理和特性分析，解释了由于几何形状的非对称性诱发层流搅拌槽内三维混沌混合的机理。 3.通过对三种不同方案下，即叶轮匀速转动、叶轮速度按照时间周期性变化转动、叶轮按照时间周期性正反转转动的实验结果的分析、比较，定性的验证了层流搅拌槽内运用叶轮运动的非周期性来增加对搅拌槽中层流流体的搅动，诱发三维混沌混合现象，破坏搅拌槽中不利于充分混合的隔离层的生成，从而提高混合效率这一理论的正确性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1课题背景

1.2层流混沌混合国内外研究现状

1.3混沌混合简介

1.4 CFD技术在层流搅拌槽中应用简介

1.4.1 CFD简介

1.4.2 CFD软件在搅拌槽中的应用及发展

1.4.3 CFD软件在搅拌槽中应用的最新发展

1.4.4在本课题中使用的层流搅拌槽混沌混合CFD简介

1.5本课题来源及主要研究内容

1.5.1本课题来源

1.5.2主要研究内容

第2章CFD仿真技术原理介绍

2.1计算流体动力学介绍

2.1.1 CFD技术的典型特点

2.1.2 CFD的发展过程介绍

2.2三维流场的仿真原理分析

2.2.1数学模型的基本方程

2.2.2对控制方程的离散化处理

2.2.3对控制体的离散化处理

2.2.4离散化以后的代数方程组的求解

2.3商用CFD软件的结构分析

2.4本章小结

第3章流场的数值模拟

3.1系统的结构和设置

3.2网格的划分和模拟方法

3.2.1网格的划分

3.2.2多重参考系法介绍

3.2.3数值求解步骤

3.3仿真结果分析与讨论

3.3.1不同情况下铅垂面综合速度矢量图和轴向速度云图的比较

3.3.2不同情况下叶轮中心面以上27.5mm处综合速度云图比较

3.3.3不同情况下叶轮中心面以上27.5mm处速度曲线图比较

3.4混沌理论对增强非对称情况下层流搅拌槽内的混合效果的解释

3.5本章小结

第4章实验方法与实验装置

4.1实验方法

4.1.1实验的原理

4.1.2实验的过程

4.2实验装置

4.2.1伺服电机

4.2.2伺服驱动器

4.2.3运动控制卡

4.2.4搅拌槽

4.2.5搅拌桨叶

4.2.6实验台

4.2.7实验物料

4.3本章小结

第5章实验结果及分析

5.1实验背景

5.1.1搅拌槽中的隔离混合层

5.1.2搅拌槽中的层流特性

5.2实验结果与分析

5.2.1叶轮匀速转动时搅拌槽内的混合情况

5.2.2叶轮转速按照时间周期性变化时搅拌槽内的混合情况

5.2.3叶轮按照时间周期性正反转时搅拌槽内的混合情况

5.3实验结论

5.4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢

作者简介