基于数值模拟的煤浆混合槽结构优化

摘要

为了提高煤炭利用率，解决环境污染问题，我国充分重视煤炭直接液化技术的应用。作为煤炭直接液化技术中煤浆制备单元的关键装备—媒浆混合槽的作用也显得越来越重要。目前，国内外对卧式混合槽内部流动情况的研究不多，本课题组曾对卧式混合槽进行过研究，但受时间和条件限制，仅研究了一种结构的几组参数。
　　 本文采用Computational Fluid Dynamics(CFD)方法，个别模型配合物理实验，对三种煤浆混合槽进行结构优化研究，得到了一系列结论。
　　 首先就课题组曾研究的涡轮式煤浆混合槽结构展开后续研究，更多地改变模型参数，寻找更合理结构，为工程应用提供技术依据。研究结果表明：在其他参数不变的情况下，选择倾斜角度为60°的直涡轮桨，并且将桨叶圆盘定为188mm，挡板与槽体之间留有2mm间隙的混合槽会获得最佳搅拌混合效果。
　　 随后，提出螺旋式煤浆混合槽结构。该混合槽的桨叶整体上倾斜布置，构成螺旋走向，使得桨叶不仅具有传统的搅拌与混合功能，而且可以引导物料沿螺旋轨迹运动，同时也给物料一定的反混机会，让搅拌更充分。数值模拟结果显示，该装置基本能够满足设计要求。
　　 最后，在总结前两种结构的基础上，提出了犁刀式煤浆混合槽结构。该混合槽用犁刀式桨叶代替涡轮式桨叶，使得桨叶对流体的剪切力更大。尤其在槽体内部混合物出口管前设置挡板之后，搅拌效果得到明显改善，并在相应的实验装置上进行试验运行，试验结果验证了数值模拟结果，两者吻合较好。

目录

文摘

英文文摘

声明

致谢

1 绪论

1.1煤炭液化的技术进展

1.2固-液混合槽的结构进展

1.3混合槽内多相流动的理论基础和实验研究

1.3.1气-液搅拌混合的理论及实验现状

1.3.2固-液搅拌混合的理论及实验现状

1.3.3气-液-固搅拌混合的理论及实验现状

1.4混合槽内多相流动的数值模拟

1.4.1数值模拟中的建模方法

1.4.2气-液两相数值模拟现状

1.4.3固-液两相数值模拟现状

1.4.4气-液-固三相数值模拟现状

1.5课题意义及研究内容

2 计算流体力学模型理论

2.1流体力学控制方程组

2.2流体力学计算模型

2.2.1建立求解模式

2.2.2湍流流动模型

2.2.3近壁面区域模型

2.2.4多相流模型

2.2.5收敛性判断

3 涡轮式煤浆混合槽的结构优化

3.1现有研究状况简介

3.1.1涡轮式煤浆混合槽的结构及原理

3.1.2已经取得的研究成果

3.2涡轮式煤浆混合槽的进一步研究

3.2.1挡板与槽体之间空隙对搅拌效果的影响

3.2.2搅拌桨圆盘直径对搅拌效果的影响

3.2.3桨叶倾斜角度对搅拌效果的影响

3.3本章小结

4 螺旋式煤浆混合槽研究

4.1新结构的提出

4.2螺旋式煤浆混合槽的工作原理

4.3螺旋式煤浆混合槽的数值模拟

4.3.1网格划分

4.3.2计算模型选用

4.3.3边界条件设定

4.3.4计算初始化

4.3.5模拟结果分析

4.4本章小结

5 犁刀式煤浆混合槽的研究

5.1犁刀式煤浆混合槽的结构

5.2犁刀式煤浆混合槽的工作原理

5.3犁刀式煤浆混合槽的特点

5.4犁刀式煤浆混合槽的模型参数

5.4.1物性参数

5.4.2流动参数

5.4.3模型参数

5.5犁刀式煤浆混合槽的数值模拟

5.5.1数值计算模型选用

5.5.2模型建立和网格划分

5.5.3边界和连续性条件

5.5.4计算初始化

5.6犁刀式煤浆混合槽的模拟结果

5.6.1犁刀式煤浆混合槽内部压力场分析

5.6.2犁刀式煤浆混合槽内部速度场分布

5.7带挡板的犁刀式煤浆混合槽结构

5.8带挡板的犁刀式煤浆混合槽的数值模拟

5.8.1带挡板的煤浆混合槽的压力场分析

5.8.2带挡板的煤浆混合槽的速度场分析

5.8.3带挡板的煤浆混合槽的湍流强度和湍动能分析

5.8.4带挡板的煤浆混合槽的速度矢量分析

5.8.5带挡板的煤浆混合槽搅拌效果分析

5.9带挡板的犁刀式煤浆混合槽实验验证

5.9.1实验装置

5.9.2实验步骤

5.9.3理论结果、实验结果与模拟结果的对比

5.10本章小结

6 总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

作者简历