带导流筒搅拌槽中液-固-固三相流场的实验与模拟研究

摘要

湍流状态下液-固-固三相流场,相间作用复杂,目前这方面的研究较少。本文以甘油溶液为液相,砂子和赤泥为固相,建立三相流场,进行冷模实验和CFD模拟研究。
　　 实验在设有挡板和导流筒的搅拌槽内进行,测定了固相浓度分布,流场的混合时间,悬浮高度,临界搅拌转速和扭矩,考虑了搅拌桨类型,转速和导流筒的影响,通过实验结果与模拟值的比较对CFD模型进行了验证。同时还通过液-固两相(甘油溶液-砂子或赤泥)和液-固-固三相流场的比较,探讨相间作用对流场的影响。
　　 本文建立的CFD模型基于欧拉多相流模型和RNG k-ε湍流模型,各相间采用不同的动量交换系数模型。用多重参考系法(MRF)处理旋转叶轮与静止部件的相互作用问题。将流场分为三个区域,模拟初始,固相置于槽底。
　　 在两相(甘油溶液-砂子或赤泥)和三相流场的对比中发现,固相在两相流场搅拌桨下方浓度大于上方;在三相流场中,搅拌桨下方砂子的浓度大于上方,赤泥接近均匀混合。相间的相互作用对砂子混合有利,对赤泥不利。转速减小或加设导流筒,混合时间增大。三相流场的混合时间大于相应两相流场。
　　 在三相流场中,转速较低时,流场顶部会出现清液层,随着转速增大,固相充满全槽,混合效果提高。转速较低时,赤泥在搅拌桨下方浓度较大,转速增大时,达到均匀混合;砂子在搅拌桨下方浓度总是大于上方。同一流场中,赤泥的混合效果好于砂子。对于大多数流场,设置导流筒有利于混合效果的提高,流型的改善,速度分布均匀化和混合时间的减小。
　　 根据实验结果拟合了各种桨搅拌的流场临界搅拌转速和功率的计算式,并确定了各式的适用范围,同时还拟合了流场排量和循环量的计算式。
　　 利用本文的研究成果,可以为多相流搅拌器的设计提供理论依据,也有助于搅拌混合过程的控制。

目录

文摘

英文文摘

前言

第一章 文献综述

1.1 搅拌混合过程与技术

1.1.1 混合机理

1.1.2 搅拌设备

1.1.3 搅拌设备的特性参数

1.2 固-液悬浮理论

1.2.1 固液悬浮状态

1.2.2 固液悬浮程度的评价

1.2.3 完全悬浮的临界转速

1.3 反应器的冷模实验

1.3.1 冷模实验的意义

1.3.2 冷模实验的研究现状

1.4 计算流体力学(CFD)及其在搅拌槽内的应用

1.4.1 CFD和CFD软件

1.4.2 CFD在搅拌槽内的应用

1.5 本文的主要研究内容

第二章 液-固-固三相流场的冷模实验

2.1 铝酸钠结晶体系及其模拟物系的选择

2.2 液-固-固三相流场冷模实验装置

2.3 冷模实验的测量方法

2.4 本章小结

第三章 液-固-固三相流场CFD数学模型的建立

3.1 CFD软件-Fluent

3.2 欧拉多相流模型

3.2.1 欧拉模型的特点

3.2.2 欧拉多相流模型基本方程

3.3 RNG k-e湍流模型

3.3.1 湍流运动的数值计算

3.3.2 RNG k-e湍流模型方程

3.4 可动区域中流动问题的建模

3.4.1 搅拌槽内桨叶与挡板间关系的处理方法

3.4.2 多重参考系模型方程

3.5 液-固-固三相流场模拟方法

3.5.1 流场区域的划分

3.5.2 网格的划分

3.5.3 其余参数设置

3.5.4 网格独立性研究

3.6 本章小结

第四章 搅拌槽内各相间的相互作用对流场的影响

4.1 两相流与三相流的浓度场分布

4.2 流场悬浮效果的评价

4.3 流场的混合时间

4.4 流场的临界搅拌转速

4.5 本章小结

第五章 液-固-固三相流场浓度分布与悬浮效果评价

5.1 四种桨型流场的浓度分布

5.1.1 DT桨搅拌流场的浓度分布

5.1.2 BT桨搅拌流场的浓度分布

5.1.3 PTU桨搅拌流场的浓度分布

5.1.4 PTD桨搅拌流场的浓度分布

5.2 固体颗粒悬浮效果的评价

5.2.1 DT桨搅拌流场中固相悬浮效果的评价

5.2.2 BT桨搅拌流场中固相悬浮效果的评价

5.2.3 PTU桨搅拌流场中固相悬浮效果的评价

5.2.4 PTD桨搅拌流场中固相悬浮效果的评价

5.2.5 固相在各种桨搅拌流场中的悬浮效果比较

5.3 本章小结

第六章 液-固-固三相流场的描述与临界搅拌转速

6.1 对三相流场的定性和定量描述

6.1.1 DT桨搅拌流场的定性和定量描述

6.1.2 BT桨搅拌流场的定性和定量描述

6.1.3 PTU桨搅拌流场的定性和定量描述

6.1.4 PTD桨搅拌流场的定性和定量描述

6.2 流场的临界搅拌转速

6.3 本章小结

第七章 流场的功率消耗和流量准数

7.1 流场功率消耗的计算

7.1.1 DT桨和BT桨功率的计算

7.1.2 PTU桨和PTD桨功率数的计算

7.2 流场功率消耗的冷模实验

7.3 流场的流量准数

7.4 本章小结

第八章 三相搅拌流场混合时间和悬浮高度的研究

8.1 流场混合时间的研究

8.1.1 DT桨搅拌流场的混合时间

8.1.2 BT桨搅拌流场的混合时间

8.1.3 PTU桨搅拌流场的混合时间

8.1.4 PTD桨搅拌流场的混合时间

8.1.5 各种桨搅拌流场中混合时间的比较

8.2 搅拌流场中固相悬浮高度的研究

8.2.1 DT桨搅拌流场中的固相悬浮高度

8.2.2 BT桨搅拌流场中的固相悬浮高度

8.2.3 PTU桨搅拌流场中的固相悬浮高度

8.2.4 PTD桨搅拌流场中的固相悬浮高度

8.3 本章小结

第九章 结论与展望

9.1 结论

9.2 展望

符号说明

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

附录

致谢