浆化搅拌槽的液固两相流及叶轮磨损特性的研究

摘要

搅拌槽内液固两相流的搅拌混合效率低，能耗大并且由于固体颗粒对搅拌叶轮的冲蚀磨损作用导致搅拌性能下降、振动等一系列问题。由于液固两相流流动复杂，依靠理论分析和实验研究的方法难以对搅拌混合的微观特性进行分析。因此，采用计算流体力学(CFD)的方法研究搅拌槽的流场特性，对浆化搅拌槽水力设计和结构优化有重要意义。论文的主要研究内容:
　　 (1)搅拌槽仿真模型的建立。综合运用Pro/E几何造型技术、Gambit构建搅拌槽的非结构化网格模型，并定义网格模型的边界类型和流体区域类型。采用CFD数值模拟的方法，应用多重参考系法(MRF)、Eulerian多相流模型、RNG k-ε湍流模型求解搅拌槽液固两相流流场特性。
　　 (2)从宏观特性和湍流特性两方面数值模拟不同桨型的搅拌槽的浆化性能，以提高浆化效率为目标对搅拌叶轮安装角进行优化设计。在优化桨型的基础上，分析了搅拌槽在不同工况时的流场速度分布、颗粒浓度分布、湍流强度分布进而分析搅拌工况对搅拌性能的影响，并分析了不同桨型在不同工艺参数时对搅拌功率的影响，并验证了推导的功率关联式的合理性。
　　 (3)基于液固两相流分析了双层CBY搅拌桨的搅拌槽在不同的工况下粘性颗粒的速度分布、绝对压力分布、剪应力分布并由此分析了搅拌叶轮的磨损趋势。
　　 (4)通过实验研究浆化搅拌槽轴向和径向的速度分布和颗粒浓度分布，以及不同浓度下搅拌功率与转速的关系，并预测了不同浓度的搅拌功率准数，将模拟结果与实验数据进行了对比，验证数值模拟分析的有效性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景、目的及意义

1．1．1 课题来源

1．1．2 研究背景

1．1．3 研究的目的及意义

1．2 搅拌槽浆化机理与工艺

1．2．1 颗粒分散混合机理

1．2．2 尾矿制浆工艺

1．3 CFD方法在搅拌槽流场分析的应用

1．3．1 多层搅拌桨的搅拌混合数值模拟研究现状

1．3．2 搅拌槽内液固两相流的数值模拟研究现状

1．4 本文研究内容

第二章 浆化搅拌液固两相流数理模型

2．1 液固两相流动的数学模型

2．2 液固两相流的湍流模型

2．3 搅拌槽的几何模型构建与网格划分

2．3．1 搅拌槽关键参数设计

2．3．2 搅拌槽几何模型构建

2．3．3 搅拌槽流道模型网格划分

2．4 数值模拟求解设置

2．5 本章小结

第三章 搅拌槽内液固两相流的流场特性分析

3．1 基于液固两相流数值模拟优化设计搅拌桨

3．1．1 不同桨型的宏观流场分布

3．1．2 不同桨型的速度分布规律

3．1．3 不同桨型搅拌桨的动压力分布

3．1．4 不同桨型的湍流强度分布

3．1．5 叶轮间距对流场特性的影响

3．2 不同工艺参数对流场特性的影响

3．2．1 搅拌轴转速对流场的影响

3．2．2 颗粒浓度对流场的影响

3．2．3 颗粒粒径对流场的影响

3．3 搅拌功率特性分析

3．3．1 双层搅拌桨功率关联式分析

3．3．2 不同桨型在不同工艺参数下的搅拌功率

3．4 本章小结

第四章 搅拌桨的磨损特性研究

4．1 搅拌槽内颗粒受力及运动轨迹

4．1．1 液固两相流的颗粒受力分析

4．1．2 颗粒运动轨迹分析

4．2 搅拌桨的磨损预估模型

4．3 基于液固两相流数值模拟搅拌叶轮的磨损特性

4．3．1 颗粒浓度对搅拌桨磨损的影响

4．3．2 转速大小对搅拌桨磨损的影响

4．3．3 颗粒直径对搅拌桨磨损的影响

4．4 本章小结

第五章 浆化搅拌槽的实验研究

5．1 实验目的

5．2 实验装置及物料的物性参数

5．3 实验过程及测试内容

5．3．1 实验过程

5．3．2 实验测试内容

5．4 实验结果及讨论

5．4．1 液相速度分布

5．4．2 固相颗粒浓度分布

5．4．3 搅拌转速对搅拌功率的影响

5．4．4 功率准数预测

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间主要研究成果