基于计算流体力学和多目标遗传算法的气液搅拌反应器模拟与优化

摘要

气液搅拌反应器因具有操作灵活性强、传质效果好、混合效率高等优点在过程工业中广泛应用。反应器结构是影响内部物料流动、混合、传质及反应的重要因素，对气液搅拌反应器结构进行优化意义重大。早期对气液搅拌釜的优化研究依赖于实验手段，测量方法受限，需反复试验，太过耗时且成本较高。随着计算流体力学(computational fluid dynamics，CFD)技术的发展，能快速而相对准确地获取反应器内部详细的流场信息。然而基于CFD的优化过程通常只考虑单参数变化，涉及多个参数则需要通过大量的模拟才能筛选出较优结果，加上多相体系固有的复杂性，导致计算量巨大且只能得到局部最优解。
　　多目标遗传算法(multi-objective evolutionary algorithm，MOEA)具有全局优化、并行搜索、快速收敛等特点。本文针对上述问题，提出了将CFD技术与优化算法相结合的解决方法。以双层桨气液搅拌反应器为例进行结构优化，验证了该方法的可行性和有效性。主要工作与研究结果如下:
　　(1)基于实验与CFD分析，建立了一种适用于气液搅拌反应器设计的多目标优化方法。借助双电导电极探针和扭矩测量等实验技术验证CFD模型，并在MATLAB平台上整合CFD分析模块和优化算法模块，引入参数化建模和自动网格生成技术，利用CFD模拟获取反应器内部流场信息，以此指导快速非支配排序遗传算法(non-dominated sorting genetic algorithm，NSGA-Ⅱ)在庞大的求解空间中高效并行寻优。通过创建模块接口，实现全自动优化过程，可以显著地减少计算量，获取全局最优解。
　　(2)在转速300 rpm，表观气速0.02 m/s的空气-水体系中，采用均一气泡尺寸假设，将多目标优化方法应用于双层桨气液搅拌釜的优化，从而实现节能和良好的气体分散。首先建立以桨叶结构参数为优化变量，以最大气含率和最小搅拌功率为目标函数的优化命题，利用CFD和NSGA-Ⅱ算法耦合求解，得到了PCBDT-PTD（下层斜凹叶圆盘涡轮桨-上层下压斜叶桨）优化桨组合。随后探讨了桨组合类型和设计变量对目标函数的影响，发现上层桨为上翻斜叶桨(PTU)时气体分布效果较差，为PTD时气体分散性能最好，随着桨叶倾斜角度增大，气体分布更均匀，搅拌功率先增加，待倾角大于90°后逐渐减小;下层桨为凹叶桨时载气性能良好，凹叶片的长径比增大，载气性能提高，而叶片切角越大，搅拌功率越低。最后考察了优化结果的可靠性，测得优化桨组合的气含率较高且沿轴向均匀分布，明显改善了两桨之间的气体分散状况。优化后能耗大幅降低，较标准的RT-RT（双层六直叶圆盘涡轮桨）组合至少降低了25％。
　　(3)针对反应器内部气泡大小分布不均的问题，引入了关联湍流耗散率与气泡直径的气泡尺寸模型，在模型验证的基础上，对双层桨气液搅拌反应器进行多目标优化。首先以桨叶结构参数为优化变量，以最大气液比相界面积和最小搅拌功率为目标建立优化命题，得到了PCBDT-PTU（斜凹叶圆盘涡轮桨-上翻斜叶桨）和PCBDT-PTD（斜凹叶圆盘涡轮桨-下压斜叶桨）两种优化桨组合。然后利用不同桨型揭示了反应器内部气泡尺寸分布规律，阐明了桨组合类型对目标函数的影响。研究发现，叶轮区的气泡尺寸沿着排出流方向先变小后逐渐变大，在循环区和液面附近气泡相对较大。此外，PCBDT-PTU优化桨组合的局部相界面积峰值最高，而PCBDT-PTD优化桨组合的相界面积分布最均匀，均能在低功耗下实现高效传质。最后，验证了优化结果的准确性，实验测得PCBDT-PTU优化桨组合的氧传质系数接近RT-RT标准桨组合的两倍，能耗较RT-RT降低了29％。

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摘要

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插表清单

主要符号说明

第1章 前言

第2章 文献综述

2．1 气液搅拌反应器优化的实验研究

2．1．1 实验测量技术

2．1．2 基于实验的反应器优化

2．2 气液搅拌反应器优化的模拟研究

2．2．1 CFD模拟方法

2．2．2 基于模拟的反应器优化

2．3 多目标优化方法

2．3．1 多目标优化概述

2．3．2 遗传算法

2．3．3 多目标遗传算法

2．4 课题的提出

第3章 基于实验和CFD分析的多目标优化方法

3．1 引言

3．2 优化方法的建立

3．2．1 优化平台

3．2．2 优化流程

3．3 建模及网格划分

3．4 气液两相数值模拟方法

3．4．1 基本控制方程

3．4．2 相间动量传递

3．4．3 湍流模型

3．4．4 气泡尺寸模拟

3．5 NSGA-Ⅱ优化算法

3．5．1 方法原理

3．5．2 基本流程

3．6 实验测量方法

3．6．1 测量平台

3．6．2 测量参数

3．7 小结

第4章 均一气泡尺寸体系双层桨叶优化研究

4．2．1 搅拌装置

4．2．2 测量条件

4．3 模拟策略

4．3．1 网格划分

4．3．2 模拟条件设置

4．4 模型验证

4．5 叶片优化策略

4．5．1 设计变量

4．5．2 目标函数

4．5．3 优化命题

4．6 优化结果与讨论

4．6．1 全局Pareto最优解

4．6．2 CFD优化结果分析

4．6．3 最优解实验验证

4．7 小结

第5章 非均一气泡尺寸体系双层桨叶优化研究

5．1 引言

5．2 实验测量

5．3 模拟策略

5．3．1 模拟条件设置

5．3．2 气泡尺寸处理

5．4 模型验证

5．5 叶片优化策略

5．5．1 设计交量

5．5．2 目标函数

5．5．3 优化命题

5．6 优化结果与讨论

5．6．1 Pareto最优解

5．6．2 CFD优化结果分析

5．6．3 最优解实验验证

5．7 小结

第6章 总结与展望

6．1 论文总结

6．2 研究展望

参考文献

作者简介