同心双轴式搅拌槽在中高粘牛顿流体中的性能探究

摘要

随着搅拌设备向大型化、智能化和高效节能化的方向发展，传统的搅拌装置逐渐的不能很好地胜任某些工业场合的需求。因此，研究新的搅拌结构型式是一种寻找出路的有益探索，而同心双轴搅拌系统便是在此种背景下应需而生的。
　　 为实现同心双轴搅拌系统的优化设计，本文在直径为0.38m的椭圆底搅拌槽内，采用不同粘度的麦芽糖浆水溶液，研究了以3种单层涡轮式桨、4种双层组合式桨作为内桨、框式桨作为外桨构成的同心双轴式搅拌系统，在内外桨同向及反向转动2种操作模式下的功率特性、流场特性和混合特性。同时，本文还将数值模拟手段引入到研究工作中，并把模拟结果与实验结果对比分析。
　　 对功率特性来说，实验研究与数值模拟的结果具有一定的偏差。但在总体趋势上，两者均发现，外桨（即框式桨）功耗受内桨的影响明显。内外桨同向转动时，外桨的功耗会降低;而反向转动时，外桨的功耗会增大。当内外桨的转速比保持一定时，两种转动模式下外桨的功耗都要比其单独转动时低，甚至变为负值。当转动模式相同而内桨层数不同时，内桨的影响作用表现不同:与单层桨相比，双层桨需要考虑转速比的临界值。若双层桨的组合类型相同而直径大小不同，内桨对外桨的功耗影响也会相差很大。而内桨受外桨（即框式桨）的功耗影响较小。对流场特性来说，数值模拟发现，内桨的层数、直径大小以及转动模式均会对搅拌槽内流场的整体状况产生较大的影响。采用直径较大的上层轴流式桨+下层径流式桨的组合型式，合理确定层间距及离底距离，且令上层轴流式桨工作在下压及同向转动模式下可以带来最好的混合效果。对混合特性来说，实验研究与数值模拟的结果比较接近，相同之处体现为内外桨同向转动较反向转动时混合效果好。实验研究还发现，改变内桨的结构参数，如单层桨的离底距离或双层组合桨的层间距，也会对混合性能产生较大的影响。但模拟时混合时间会受加料点和监测点位置的影响，敌对混合时间数据的采集应注意加料点和监测点位置的选取。
　　 通过实验研究与数值模拟，本文优选出了适合于中高粘流体的桨型组合，其成果可以为同心双轴式搅拌槽的设计运用提供参考。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 搅拌技术及应用

1．2 搅拌桨的研究进展筒述

1．2．1 径流式搅拌桨的混合特点及研究进展

1．2．2 轴流式搅拌桨的混合特点及研究进展

1．2．3 组合式搅拌桨的混合特点及研究进展

1．3 双轴组合式搅拌设备的出现、类型及适用范围

1．4 双轴组合式搅拌设备的研究进展

1．4．1 国外进展

1．4．2 国内进展

1．5 搅拌研究手段的发展

1．5．1 实验研究

1．5．2 数值模拟

1．6 本文的主要研究内容

2 实验装置与测量

2．1 实验设备与物料

2．1．1 实验装置

2．1．2 搅拌桨及其几何尺寸

2．1．3 实验物料与测量工具

2．2 实验测量方法

2．2．1 功率消耗的测定步骤

2．2．2 混合时间的测定步骤

3 实验结果的分析与讨论

3．1 功率特性实验探究

3．1．1 分析内桨对外桨功耗的影响

3．1．2 分析外桨对内桨功耗的影响

3．1．3 分析内外桨的总功耗

3．2 混合特性实验探究

3．2．1 以混合准数为指标评价内外桨的混合性能

3．2．2 以单位体积混合能为指标评价内外桨的混合性能

3．3 小结

4 同心双轴式搅拌槽性能的数值模拟

4．1 数值模拟时牛顿流体的物性参数、搅拌桨转速及雷诺数

4．2 搅拌槽的数值模拟过程

4．2．1 搅拌槽的几何结构

4．2．2 流体力学模型

4．2．3 网格划分

4．2．4 边界条件设定

4．2．5 模拟方法

4．3 模拟计算结果的分析与讨论

4．3．1 功率特性的数值模拟分析

4．3．2 流场特性的数值模拟分析

4．3．3 压力场的数值模拟分析

4．3．4 混合特性的数值模拟分析

4．4 小结

5 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

作者简历