高黏度流体组合桨混合特性的数值模拟

摘要

本文利用计算流体力学(CFD)数值模拟方法，在直径为0.476 m的搅拌槽内，以高黏度牛顿流体为研究体系，对直段桨为双螺带式和Paravisc式以及底桨为锚式和变径螺带式的一系列组合桨功率和混合时间进行了研究，并对其中的优选桨型进行了放大规律探索。通过对数值模拟结果的分析发现，双螺带式桨、Paravisc式和锚式桨功率均随桨叶宽度增加而增加，且螺距对于双螺带式桨的功率影响更加显著。根据模拟结果，拟合得到了四类组合桨中组合桨的KP关联式，这对于高黏度流体组合桨的设计提供了重要参考。对各组合桨混合特性的研究发现，绝对混合时间的确定会因示踪剂监测点位置不同而有所差异，但是各组合桨的混合特性却表现出一致的规律:以锚式桨为底桨的各组合桨的混合时间均小于以变径螺带式桨为底桨的组合桨混合时间，其中Paravisc-锚式组合桨达到完全混合时的绝对混合时间最小，所转圈数最少，较圈数最多的双螺带-3号变径螺带式桨少将近三分之一;此外，该组合桨的单位体积耗能也最低，无量纲剪切量随转速变化斜率最大，各种混合效果评定方法均表明Paravisc-锚式组合桨混合特性优于本文中其他组合桨。最后将体积为100L的搅拌槽放大至200 L和500 L的搅拌槽，选用Paravisc-锚式组合桨，在模拟物料保持一致的情况下，组合桨功率曲线在不同尺度下完全一致，并于三个尺度的最佳转速下进行模拟发现其符合桨端线速度的放大准则。本文对各桨型的功率特性、混合特性和放大规律的分析，可为工业设计和优化高黏度流体组合桨参数提供重要参考。

目录

声明

摘要

符号说明

前言

第一章 文献综述

1．1 高黏度流体混合概述

1．1．1 几种常用于搅拌高黏度流体的桨型

1．1．2 高黏度流体组合桨的研究进展

1．2 搅拌设备优劣的判断依据

1．2．1 搅拌功率

1．2．2 混合时间

1．3 搅拌槽放大规律的研究

1．3．1 几何相似放大

1．3．2 一般放大准则

1．3．3 搅拌槽内放大规律的研究现状

1．4 计算流体力学(CFD)概述

1．4．1 CFD数值模拟的步骤

1．4．2 CFX软件的应用进展

1．5 小结

第二章 CFD数值模拟方案

2．1 模拟体系

2．2 模拟方法

2．2．1 网格划分

2．2．2 模拟步骤

2．3 验证模拟结果的可靠性

2．3．1 模拟值与理论值的对比

2．3．2 模拟值与实验值的对比

第三章 组合桨搅拌槽内流场和功率特性的数值模拟

3．1 组合桨搅拌槽内流场和功率特性模拟结果分析

3．1．1 双螺带-锚式组合桨(DH-A)

3．1．2 双螺带-变径双螺带式组合桨(DH-R)

3．1．3 Paravisc-锚式组合桨(P-A)

3．1．4 Paravisc-变径螺带式组合桨(P-R)

3．2 小结

第四章 组合桨的混合特性与放大规律的数值模拟

4．1 组合桨混合特性的研究

4．1．1 监测点位置对判定混合时间的影响

4．1．2 绝对混合时间

4．1．3 无量纲混合时间

4．1．4 无量纲剪切量

4．1．5 单位体积混合能

4．2 组合桨放大规律的初步探索

4．3 小结

第五章 主要结论

参考文献

致谢

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