偏心搅拌槽内宏观不稳定性的分离涡模拟及实验研究

摘要

搅拌是过程工业中常见的单元操作之一,在化工、食品、生物、制药等行业中的应用非常广泛。搅拌涉及到物料的混合、传热、传质、化学反应等操作,对槽内流场的研究是分析这些过程的基础。搅拌槽内流体的流动是一个高度复杂的、非稳态的过程,存在一种大尺度、低频率的流型变化现象,即宏观不稳定性,该现象对搅拌槽内的混合、传热、传质等过程有重要的影响,引起人们的高度重视。本文采用数值模拟和实验测试相结合的方法对偏心搅拌槽内的宏观不稳定性频率进行了研究,分析了宏观不稳定性对偏心搅拌槽内混合过程的影响。
　　 基于分离涡模型建立了搅拌数值模拟方法,对搅拌槽内的三维流场和混合过程进行了数值研究。分析了搅拌槽内流体的速度和湍动能分布以及功率消耗情况,并将分离涡模拟结果与LDV实验结果、大涡模拟结果和雷诺应力模拟结果进行了对比。结果证明分离涡模拟与实验结果吻合较好,能准确捕捉搅拌槽内流体的时均特征和非稳态流动特征,对湍动能及功率消耗的模拟结果也很好,具有和大涡模型相近的模拟精度,且计算量小,约为大涡模型计算量的80％。混合过程的模拟结果表明,分离涡模型对混合时间的模拟精度远高于雷诺时均法,与实验值吻合较好,说明该模型也适用于搅拌槽内混合过程的模拟。
　　 利用基于分离涡模型的搅拌数值模拟方法对中心搅拌槽内的宏观不稳定性进行了研究,分析了层流、过渡流和湍流三种不同流动状态下的宏观不稳定性频率,并与大涡模拟及LDV实验结果进行了对比,结果吻合较好。研究发现,不同流动状态下的宏观不稳定性频率不一样,层流和湍流状态下各存在一个单一频率值,而过渡流时存在两个频率值,分别与层流和湍流时的宏观不稳定性频率值相接近。相比之下,层流状态下的宏观不稳定性频率比湍流状态时大,表明层流状态下中心搅拌槽内的宏观不稳定现象比湍流状态时明显。分离涡模拟结果与文献结果吻合较好,说明可以采用分离涡模型研究搅拌槽内的宏观不稳定性。
　　 建立了偏心搅拌的分离涡数值模拟方法,对偏心搅拌槽内的宏观不稳定性进行了数值模拟和PIV实验测量,对不同工况时的宏观不稳定性进行了可视化实验和频谱分析。结果发现,PIV实验结果与分离涡模拟结果吻合较好,都表明偏心搅拌时的宏观不稳定性频率主要在0.1～0.2 Hz范围内,约比中心搅拌时的宏观不稳定性频率高一个数量级,说明偏心搅拌时的宏观不稳定现象比中心搅拌时明显。对不同偏心率、雷诺数和桨径比时偏心搅拌槽内宏观不稳定性频率的研究发现,偏心搅拌时的宏观不稳定性频率随偏心率的增大而减小,高转速时偏心搅拌槽内的宏观不稳定性频率大,此外,桨径比对偏心搅拌槽内的宏观不稳定频率也有很大的影响,频率值随桨径比的增大而增大。
　　 采用雷诺时均法和基于分离涡模型建立的偏心搅拌数值模拟方法研究了偏心搅拌槽内的混合过程,对涡内和涡外两种加料位置时的混合时间做了对比,并与实验结果进行了比较。研究表明,分离涡模拟结果与实验结果吻合较好,与大涡模拟的精度相当,而雷诺时均结果与实验结果之间的偏差则高达60％。对涡内和涡外两种加料位置时混合时间的对比表明,宏观不稳定性对偏心搅拌槽内的混合过程有很大的影响,涡内加料时能缩短混合时间约12％～16％,这说明充分利用宏观不稳定性可以加快搅拌槽内的混合过程,提高混合效率。

目录

文摘

英文文摘

CONTENTS

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 偏心搅拌

1.2.2 宏观不稳定性

1.2.3 流场数值模拟方法

1.2.4 存在的主要问题

1.3 主要研究内容

第2章 搅拌槽内流动与混合过程的分离涡模拟

2.1 引言

2.2 分离涡模型

2.3 流场数值模拟

2.3.1 搅拌槽结构

2.3.2 桨叶区处理方法

2.3.3 网格划分

2.3.4 边界条件

2.3.5 模拟方法

2.4 结果与讨论

2.4.1 瞬时速度波动

2.4.2 时均速度分布

2.4.3 湍动能分布

2.4.4 功率消耗

2.5 混合过程数值模拟

2.5.1 搅拌槽结构与网格划分

2.5.2 数学模型

2.5.3 模拟方法

2.6 结果与讨论

2.6.1 流场模拟结果

2.6.2 混合模拟结果

2.7 本章小结

第3章 中心搅拌槽内宏观不稳定性的数值研究

3.1 引言

3.2 数值模拟

3.2.1 搅拌槽结构

3.2.2 网格划分与模拟方法

3.3 数据处理方法

3.4 结果与讨论

3.4.1 速度取样

3.4.2 频谱分析

3.5 本章小结

第4章 偏心搅拌槽内宏观不稳定性的数值研究

4.1 引言

4.2 数值模拟

4.2.1 搅拌槽结构

4.2.2 桨叶区处理方法

4.2.3 网格划分

4.2.4 模拟方法

4.3 结果与讨论

4.3.1 速度取样

4.3.2 偏心率的影响

4.3.3 雷诺数的影响

4.3.4 桨径比的影响

4.4 本章小结

第5章 偏心搅拌槽内宏观不稳定性的PIV实验研究

5.1 引言

5.2 实验装置

5.2.1 PIV设备

5.2.2 搅拌装置

5.3 实验过程

5.3.1 示踪粒子的选择

5.3.2 系统参数的设置

5.3.3 实验步骤

5.4 结果与讨论

5.4.1 宏观不稳定性可视化研究

5.4.2 雷诺数的影响

5.4.3 偏心率的影响

5.4.4 桨径比的影响

5.5 本章小结

第6章 宏观不稳定性对偏心搅拌槽内混合影响的研究

6.1 引言

6.2 数值模拟

6.2.1 搅拌槽结构

6.2.2 初始条件

6.2.3 边界条件

6.2.4 模拟方法

6.3 结果与讨论

6.3.1 流场结构

6.3.2 示踪剂浓度分布

6.3.3 混合时间模拟结果

6.4 混合时间测量

6.5 本章小结

第7章 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文

英文论文

学位论文评阅及答辩情况