分离混合集成型固-液搅拌器流场模拟仿真及结构优化设计

摘要

搅拌器具有良好的混合功能，广泛应用于流程工业，属于最常用的化工操作单元之一，但均不同时具备分离混合双重功能。本文以国家基金项目“软性磨粒流的湍流调控与结构化表面无工具精密加工工艺”（50875242）中软性磨粒流循环加工系统专用搅拌器为研究对象，提出了一种集有效分离金属、均匀混合磨粒的专利技术（已授权），并利用CFD软件对搅拌器流场进行了模拟仿真分析和结构优化设计。本文研究取得的成果为建立软性磨粒流循环加工系统奠定了良好的基础。
　　 本文的主要研究内容和成果包括：
　　 1.建立专用搅拌器三维物理模型，应用FLUENT6.3软件对其内流场进行了模拟仿真，得到了搅拌器内流场的压力、速度矢量、磨粒颗粒浓度和金属颗粒浓度分布规律；研究表明，微小体积含量的金属颗粒对于搅拌器内部流场的影响较小，基本可以忽略。
　　 2.提出了一种集有效分离金属、均匀混合磨粒的专利技术（已授权），通过采用高效节能的CBY翼型轴流搅拌叶轮、选用最为精确的Zwietering临界悬浮转速公式和整体结构等方面的优化设计，得到了一种性能优良的分离混合集成型搅拌器。
　　 3.按照搅拌叶轮安装高度C/D分别为1/6、1/5、1/4、1/3，搅拌叶轮转速为100rpm，建立4个模型，应用FLUENT6.3软件，对4个模型进行了数值模拟，得到了搅拌器内流场的压力、速度矢量、磨粒颗粒浓度分布规律及不同搅拌叶轮安装高度对流场的影响。
　　 4.按照搅拌叶轮转速分别为50rpm、75rpm、100rpm、125rpm，搅拌叶轮安装高度为80mm，建立4个模型，应用FLUENT6.3软件，对4个模型进行了数值模拟，得到了搅拌器内流场的压力、速度矢量、磨粒颗粒浓度分布规律及不同搅拌叶轮转速对流场的影响。
　　 本文的研究工作不仅是国家自然科学基金项目的重要组成部分，而且对搅拌器水力设计和结构优化具有参考意义。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 课题来源和研究背景

1.1.1 课题来源

1.1.2 研究背景

1.1.3 研究的目的和意义

1.2 研究现状

1.2.1 概述

1.2.2 搅拌叶轮的国内外研究现状

1.2.3 内部流场的国内外研究现状

1.2.4 发展趋势

1.3 本文研究的主要内容

第2章 流场数学物理模型

2.1 基本控制方程

2.2 常用湍流模型

2.2.1 标准κ-ε模型

2.2.2 重整化群κ-ε模型（RNG）

2.2.3 可实现κ-ε模型（Realizable）

2.3 多相流模型

2.3.1 VOF模型

2.3.2 混合（Mixture）模型

2.3.3 欧拉（Eulerian）模型

2.3.4 欧拉（Eulerian）模型相间曳力函数

2.3.5 欧拉（Eulerian）模型求解策略

2.3.6 多相流模型选择

2.4 移动与变形区域中流动问题的模拟

2.4.1 概述

2.4.2 MRF相关研究情况

2.4.3 滑移网格（Sliding Meshs）

2.4.4 动网格（Dynamic Meshs）

2.5 本章小结

第3章 搅拌器流场固液两相数值模拟

3.1 搅拌器三维物理模型建立

3.1.1 三维造型技术

3.1.2 SOLIDWORKS软件

3.1.3 软件建模

3.2 模型网格划分

3.2.1 网格划分理论

3.2.2 模型网格划分

3.3 离散格式和计算方法

3.3.1 离散格式

3.3.2 计算方法

3.4 边界条件

3.4.1 搅拌叶轮区域处理

3.4.2 边界条件设定

3.5 数值模拟结果分析

3.5.1 流场分析

3.5.2 浓度分析

3.5.3 金属颗粒对流场的影响

3.6 本章小结

第4章 搅拌器结构优化设计

4.1 概述

4.2 搅拌器分离混合集成技术（授权专利）的研究

4.2.1 课题难点

4.2.2 研究成果（授权专利）

4.3 搅拌叶轮的优化设计

4.3.1 搅拌叶轮优化选择

4.3.2 CBY翼型轴流式搅拌叶轮

4.4 固-液两相体系的搅拌

4.4.1 完全离底悬浮

4.4.2 临界悬浮转速公式

4.5 本章小结

第5章 分离混合集成型搅拌器内部流场数值模拟

5.1 分离混合集成型搅拌器物理模型建立

5.1.1 搅拌槽结构优化设计

5.1.2 搅拌叶轮结构设计

5.1.3 分离混合集成型搅拌器总体结构

5.2 分离混合集成型搅拌器临界悬浮转速计算

5.3 搅拌叶轮不同安装高度数值模拟

5.3.1 搅拌叶轮区域处理

5.3.2 流场域网格划分

5.3.3 边界条件设定

5.4 搅拌叶轮不同安装高度模拟结果分析

5.4.1 流场分析

5.4.2 浓度分析

5.4.3 不同安装高度的影响

5.5 搅拌叶轮不同转速数值模拟

5.5.1 搅拌叶轮区域处理

5.5.2 流场域网格划分

5.5.3 边界条件设定

5.6 搅拌叶轮不同转速模拟结果分析

5.6.1 流场分析

5.6.2 浓度分析

5.6.3 不同转速的影响

5.7 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致 谢

攻读硕士学位期间所做的科研工作