偏心搅拌槽内气-液两相流水力特性的数值模拟研究

摘要

搅拌槽在化工和水处理等行业是一种必不可少的流体混合设备，在工业生产和工程应用中发挥的作用不可替代；在搅拌作用下，槽内的单相或多相混合介质通过传质、传热作用可形成组分近乎均一的混合体系；因此，对搅拌槽内的流体在运动过程中流场信息的变化特性进行探究具有十分重要的意义。而与传统的中心搅拌不同的是，偏心搅拌打破了槽内流场的对称性，可消除中心搅拌时绕轴形成的中心大漩涡，能达到添加挡板时的搅拌混合效果，并且促进了各流层之间的对流作用、增强了湍流强度。目前，国内外对偏心搅拌槽相关课题的研究比较少；本研究用C F D方法，借助商用流体分析软件Fluent15.0，湍流模型选用RNGk-ε模型，结合多相流模型V O F法，对标准Rushton桨偏心搅拌槽内的气-液两相流混合水力特性进行数值模拟研究，主要考察了偏心率和转轮安装高度两个因素对槽内流场特性和气含率分布的影响；通过对各工况数模结果的定性分析和定量比较，得到的结论如下：
　　（1）模型验证一的比较结果表明，采用RNGk-ε湍流模型能更准确地对搅拌槽内的气-液两相流进行模拟；验证二用验证一所选定的计算模型模拟了双层三叶CBY桨的安装间距对中心搅拌槽内流场特性的影响，模拟值与实验值的对比结果表明：RNGk-ε模型结合V O F法能准确捕捉搅拌槽内的流场信息；验证三进一步用所选模型对标准Rushton桨无挡板偏心搅拌槽进行了模拟，模拟值与实验值吻合较好，说明所选模型能很好地反映偏心搅拌槽内的真实流场特性，并且在中心搅拌槽和偏心搅拌槽中具有较好的通用性。
　　（2）通过比较五个不同偏心率工况下搅拌槽内的流场分布以及流速分布特征得出：无挡板中心搅拌槽内的流场及流速均关于搅拌槽中心线呈对称分布，偏心率较小、为0.15时，槽内的流场特性与中心搅拌时具有相似特征；偏心率为0.3时，流场结构的对称性被完全打破，槽内流体在径向和轴向上的流动强度均有所增强；当偏心率继续增大至0.45时，槽内的流型对增强流体在轴向上的流动强度和槽内介质在轴向上的混合效果最为有利。
　　（3）在偏心搅拌槽中，气-液两相混合在槽内形成的流场结构和流动形态与单相流体搅拌时有着明显的差异；最大流速值并不是随着偏心率、叶轮安装高度的增大而增大；偏心率大小的改变，并不会影响高流速区与搅拌中心的位置关系；转轮安装高度的变化会导致主环流相对位置的变化和环流大小的变化；搅拌桨叶作为能量输出源，通过旋转作用带动周围流体的流动进而实现整个槽内流体的流动混合；由于能量损失的存在，远离搅拌中心的流体，流速减小，流体湍动强度很小。
　　（4）通过比较叶轮安装高度不同的四个工况下偏心搅拌槽内的流场特性以及气含率分布特性得出：叶轮安装高度较低仅为T/5时，整个偏心搅拌槽内的流速不均匀系数较小，流速分布更为均匀，但是能量损失却比其他各工况大；而安装高度为T/2时，槽内的流速分布的均匀性难以保证；通过流速均匀性和能量损失两个方面的比较，认为安装高度为T/3较好。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 搅拌设备分类简介

1.3 搅拌槽国内外研究进展

1.4 偏心搅拌槽

1.5 本文主要研究内容

2 搅拌槽数值模拟理论

2 . 1 计算流体力学（CFD）在模拟搅拌槽中的发展及应用

2.2 CFD的求解过程

2.3 CFD基本控制方程

2.4 湍流数学模型

2.5 多相流模型概述

2.6 搅拌内搅拌转轮数学模型概述

3 模型验证

3.1 数学模型

3.2 模型验证一

3.3 模型验证二

3.4 模型验证三

3.5 本章小结

4 偏心率对搅拌槽内流场影响的研究

4.1 引言

4.2 偏心搅拌槽的数值模拟

4.3 偏心率对搅拌槽内流场特性的影响

4.4 偏心率对搅拌槽内径向流速、轴向流速的影响

4.5 本章小结

5 转轮安装高度对偏心搅拌槽内气-液两相流特性影响的研究

5.1 计算区域与网格划分

5.2 边界条件及求解方法

5.3 安装高度对偏心搅拌槽内流场特性的影响

5.4 安装高度对偏心搅拌槽内气含率分布的影响

5.5 本章小结

6 总结与展望

6.1 研究成果总结

6.2 不足与展望

致谢

参考文献

附录

A 攻读硕士期间发表的论文

B 攻读硕士期间参与的项目

C 攻读硕士期间所获荣誉