单孔浸没式顶吹气液搅拌的实验与数值模拟研究

摘要

气体通过顶部浸没管喷吹进入液体，形成气泡搅动液相，影响流场的现象十分普遍，常见于冶金、化工、生物等领域。通过气体喷吹，能够带来诸如各成分充分混匀、容器内温度分布均匀和夹杂物去除等一系列有利效果。因此，对浸没式顶吹的气液流场搅拌规律进行深入研究对于指导工业中的生产与设计具有重要意义。
　　本文在现有气液喷吹搅拌研究的基础上，通过实验与数值模拟的方法研究了单孔浸没式顶吹的流场搅拌规律。所做工作不仅可以为相应的气液两相喷吹搅拌评价体系提供具有普适性的理论与方法支撑，而且也能为工业生产提供一定的基础技术支持。主要的研究工作如下:
　　(1)建立了本文单孔浸没式顶吹气液搅拌的实验研究模型，搭建了单孔浸没式顶吹水模实验平台，利用高速相机进行拍摄记录。获得了多种进气量、喷管插入深度等条件下连续的图片，进行了基于搅拌功的气泡脱离尺寸统计与分析。
　　(2)提出了在不借助专业仪器且能准确、全面量化液相搅拌效果的前提下，根据对水模实验所得的连续图片，进行基于图片分块策略和NCC算法的相似度的特征计算方法，并运用该方法研究了不同工况下单孔浸没式顶吹对流场的搅拌效果。
　　(3)针对单孔浸没式顶吹搅拌水模实验的原型结构，进行了三维数值建模及仿真，对水模实验容器内部的流场动态特性进行了分析;同时将仿真所得的气泡脱离尺寸、死区占比分别与实验中的气泡尺寸、相似度进行了比较分析。证明了浸没式喷吹数值模拟中网格划分的合理性与数值计算方法的有效性。
　　(4)进一步针对双层非溶合液体在单孔浸没式顶吹条件下，进行了数值模拟，预测了容器内的流场特性与表层液体的运动特征，为冶金行业特定工序生产（如铁水脱硫顶吹辅助扒渣工序等）的相关工艺参数优化进行了有益的探索。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景与课题来源

1．2 课题研究意义及目的

1．3 国内外研究概述

1．3．1 气泡在管口形成的研究

1．3．2 气体喷吹对容器内流场影响的研究

1．4 本文研究内容及技术路线

第2章 单孔浸没式顶吹搅拌效果实验

2．1 相似原理与模型建立

2．1．1 相似原理

2．1．2 模型建立

2．2 单孔浸没式顶吹水模实验

2．2．1 实验装置

2．2．2 实验流程与工况参数

2．3 实验结果及处理

2．3．1 单孔浸没式顶吹气液混合形态

2．3．2 气泡尺寸统计

2．4 本章小结

第3章 基于图片分块策略和NCC算法的相似度计算及搅拌效果评价

3．1 相似度反映搅拌效果的提出与原理

3．2 相似度算法的选取

3．2．1 相似度算法选取概述

3．2．2 NCC算法

3．3 基于NCC算法的图片相似度计算

3．4 基于图片分块策略和NCC算法的相似度计算

3．4．1 计算流程

3．4．2 划分数量及阈值的选取

3．4．3 基于图片分块策略和NCC算法的相似度算法处理实验图片

3．5 搅拌效果评价

3．5．1 进气量对搅拌效果的影响

3．5．2 喷管插入深度对搅拌效果的影响

3．6 本章小结

第4章 单孔浸没式顶吹的数值模拟与验证

4．1 仿真模型及数值模拟方法

4．1．1 几何模型、材料与网格划分

4．1．2 求解方法、边界条件与初始化

4．2 不同进气量的仿真结果与对比验证

4．2．1 气泡形成时尺寸对比验证

4．2．2 仿真死区占比与实验搅拌效果的趋势对比

4．3 喷管不同插入深度的仿真结果与对比验证

4．3．1 气泡形成时尺寸对比验证

4．3．2 仿真死区占比与实验搅拌效果的趋势对比

4．4 本章小结

第5章 双层非溶合液体的单孔浸没式顶吹数值模拟

5．1 数学模型

5．1．1 模型网格划分与材料物性参数

5．1．2 边界条件和计算方法

5．2 计算结果及分析

5．2．1 容器内基本流场特性

5．2．2 表层液体的运动特征

5．3 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间发表的论文

附录2 攻读硕士学位期间参加的科研项目