宽粘度域搅拌器在假塑性流体混合中的CFD模拟

摘要

搅拌设备在化工、医药及生物发酵等领域广泛应用,搅拌物料包括牛顿流体和非牛顿流体。黄原胶作为一种应用广泛的天然生物胶,在其发酵过程中,发酵液会从低粘度牛顿流体转变为高粘度假塑性流体,这严重影响着黄原胶的质量和产量。要解决这一问题,需要研究开发适应于宽粘度域的高效搅拌设备。
　　本研究以黄原胶水溶液为研究体系,用CFD方法对六种搅拌器的搅拌特性进行数值模拟,包括五种宽粘度域搅拌器:最大叶片式(Maxblend,MB1、MB2和MB3)、泛能式(Fullzone,FZ1和FZ2)和一种工业常用搅拌器:双层涡轮桨(Dual Rushton Turbine,DT)。重点研究了搅拌器的流体力学性能和搅拌混合过程。
　　对六种搅拌器的流体力学性能研究发现:在湍流区,FZ2桨搅拌功耗最大,MB3桨最小;最大叶片式搅拌桨产生双循环流型,泛能式搅拌桨会产生上、中、下三循环流型,双层涡轮桨产生平行流型;在湍流区泛能式的剪切量和泵送准数最大,双层涡轮桨最小。
　　相同单位体积功耗下六种搅拌器的搅拌混合过程研究表明,以最小值为基准计算混合时间大小,在研究的整个功耗范围内:MB1　　用混合体积曲线分析宏观混合过程,研究发现:MB1桨和FZ1桨结构及安装合理。低转速下,MB2桨和MB3桨存在混合不良区。FZ2桨下方的叶片面积大,阻碍流动,低转速下,两层DT桨之间相互作用小。
　　用混合系数分析微观混合过程,研究发现:当混合系数>1时,对流扩散起主要作用,混合系数<1时,分子扩散起主要作用。达到混合要求时,采用MB2桨和MB3桨时示踪剂浓度分布均匀且耗时短,混合性能优良。

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1 文献综述

1.1 搅拌设备简介

1.2 搅拌物料种类及特性

1.3 计算流体力学

1.4 CFD方法在非牛顿流体搅拌混合中的应用

2 研究目的、内容与方法

2.1 研究目的

2.2 研究内容

2.3 研究方法

3 宽粘度域搅拌器流体力学性能的数值研究

3.1 搅拌釜结构及网格划分

3.2 模拟研究方法

3.3 主要状态参量的研究

3.4 数值模拟结果与分析

3.5 小结

4 宽粘度域搅拌器混合过程的数值研究

4.1 计算方法

4.2 数值模拟结果与分析

4.3 小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致谢

附录 攻读硕士学位期间发表的学术论文

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