涡轮桨搅拌槽内流动特性的实验研究和数值模拟

摘要

涡轮桨搅拌槽广泛应用于化工、生物、食品和制药等工业过程，其内部的流动特性对工业设计及优化具有重要影响。因此，本文从PIV测量和CFD数值模拟两方面对多种桨叶及流型下搅拌槽的流动特性进行深入研究，为其应用基础研究及优化设计提供指导和参考。
　　 本文在直径为0.476m的平底有机玻璃搅拌槽内，保证液位高与槽直径相等，利用相位解析的高分辨率PIV测试技术，对多种复杂流型下桨叶的尾涡结构、平均速度、脉动速度和湍流动能进行实验研究。其中Rushton涡轮桨的各流型通过改变桨叶层数、直径及离底距离来实现，而曲面涡轮桨则采用标准双循环流型。结果表明：桨叶后方的双尾涡结构在所有涡轮桨的任意流型下都会出现，但其发展历程及运动轨迹各不相同；相位平均实验结果中，高湍流动能区主要集中在叶端射流区附近，而相位解析结果中，高湍流动能分布区位于两反向旋转尾涡的汇合区附近，且随尾涡的运动向槽内其它区域传递；单循环流型下，几何结构完全相同时，雷诺数的变化对无因次化的速度和湍流动能几乎没有影响，但几何结构相似时，局部区域的流动存在差异；流型分布与桨叶直径及离底距离密切相关，降低离底距离可使流型从双循环向单循环转变，但此时增加桨叶直径流型又会从单循环转变为双循环；曲面形状对涡轮桨的尾涡结构和高湍流动能分布区影响显著，叶片形状趋于流线型时尾涡衰减较快，湍流动能也迅速降低。
　　 在FLUENT软件的基础上编写了大涡模拟的数据统计及处理程序，对单层Rushton涡轮桨搅拌槽的双循环和单循环流型进行大涡数值模拟，并与PIV实验及k-ε模型计算结果进行比较，同时分析亚格子模式及网格模型对大涡模拟结果的影响。结果表明：大涡模拟方法能够反映搅拌槽内复杂的非稳态特性；标准k-ε模型对双循环流型下平均速度的预测与实验基本吻合，湍流动能的计算值略偏低，但其得到的单循环流型的速度及湍流动能分布与实验明显不符；大涡模拟方法预测的双循环流型的湍流动能分布比k-ε模型准确，对单循环流型的速度及湍流量的估计较k-ε模型有根本上的改善；不同亚格子模式之间没有显著的差别，网格较密的区域DSL模式比SSL和DKE模式略好。
　　 利用大涡模拟方法研究了双层Rushton涡轮桨搅拌槽内的平行流、合并流和分散流等流型的特性，讨论了边界条件和数据处理方法对计算结果的影响，结果表明：大涡模拟在预测双层桨复杂流动方面比k-ε模型有显著改善；边界条件需尽量与实际物理模型保持一致；湍流特性数据应采用相位平均和相位解析方法处理，以避免桨叶旋转运动引入拟湍流成份。
　　 采用Realizablek-ε湍流模型，对多种曲面涡轮桨的压力系数及速度分布进行数值模拟，分析了叶片形状对流动特性的影响，并针对半椭圆管涡轮桨提出改进的方法。结果表明：Realizablek-ε模型对Rushton涡轮桨的功率准数和桨叶表面压力系数的预测与实验数据吻合很好；半圆管涡轮(CD)叶片表面及后方的负压区范围较Rushton涡轮显著降低；四种曲面涡轮桨之间，压力系数的绝对值由低到高的顺序依次为：抛物线形涡轮B(PT-B)、抛物线形涡轮A(PT-A)、半椭圆管涡轮(HEDT)及半圆管涡轮(CD)；随曲面涡轮桨叶片形状的不断流线型化，背流面上流动的分离点向尾部靠近；叶端负压区随尾涡运动沿径向方向发展，其中心与尾涡中心不重合；HEDT叶端处采用水平槽结构可降低负压区的分布，也可减弱叶端处的涡结构。

目录

文摘

英文文摘

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符号说明

第一章 文献综述

1.1 搅拌槽内湍流特性的研究

1.1.1 拟湍流现象

1.1.2 尾涡结构

1.1.3 平均速度及湍流动能

1.1.4 能量耗散速率

1.1.5 研究现状小结

1.2 搅拌槽内流场测试方法的研究

1.2.1 单点测试技术及运用

1.2.2 PIV测试技术

1.2.3 PIV在搅拌槽研究领域的运用

1.2.4 研究现状小结

1.3 搅拌槽内大涡模拟数值方法的研究

1.3.1 数值模拟方法概述

1.3.2 搅拌槽内大涡模拟方法

1.3.3 大涡模拟方法的运用

1.3.4 研究现状小结

1.4 本论文的主要研究内容

第二章 PIV实验方法与技术

2.1 PIV测试系统

2.1.1 搅拌装置

2.1.2 PIV仪器

2.2 PIV测试原理与方法

2.2.1 PIV测试原理

2.2.2 PIV测试方法

2.2.3 图像处理方法的比较

2.2.4 PIV数据处理

第三章 CFD模型及方法

3.1 不可压缩流动的方程及模型

3.1.1 雷诺平均方程及模型

3.1.2 大涡模拟方程及模型

3.2 数值方法及桨叶模型

3.2.1 方程的离散及求解

3.2.2 桨叶模型

3.3 搅拌槽CFD模型及方法

第四章 涡轮桨搅拌槽内流动特性的PIV实验研究

4.1 实验模型及条件

4.1.1 桨叶模型

4.1.2 操作条件

4.1.3 主要参数选择

4.2 单层Rushton涡轮桨的PIV实验

4.2.1 单层桨流型的概述

4.2.2 双循环流型

4.2.3 单循环流型

4.3 双层Rushton涡轮桨的PIV实验

4.3.1 双层桨流型的概述

4.3.2 合并流流型

4.4 曲面涡轮桨的PIV实验

4.4.1 曲面涡轮桨概述

4.4.2 相位平均的流动特性

4.4.3 相位解析的流动特性

4.5 本章小结

第五章 单层Rushton涡轮桨搅拌槽流动特性的大涡模拟

5.1 计算模型

5.2 双循环流型的大涡模拟

5.2.1 宏观的瞬态流场

5.2.2 速度的时间序列

5.2.3 相位平均速度及湍流量

5.2.4 相位解析速度及湍流量

5.3 单循环流型的大涡模拟

5.3.1 相位平均的流动特性

5.3.2 网格对大涡模拟的影响

5.3.3 相位解析的流动特性

5.3.4 湍流各向同性分析

5.4 本章小结

第六章 双层Rushton涡轮桨搅拌槽流动特性的大涡模拟

6.1 计算模型

6.2 双层桨流型及大涡模拟

6.2.1 平均及瞬态宏观流场

6.2.2 速度的时间序列

6.2.3 功率消耗

6.2.4 时均速度

6.2.5 湍流动能

6.3 双层桨合并流流型的大涡模拟

6.3.1 相位平均的流动特性

6.3.2 相位解析的流动特性

6.3.3 模型参数对大涡模拟的影响

6.4 本章小结

第七章 曲面涡轮桨搅拌槽流动特性的RANS模拟

7.1 计算模型

7.1.1 数值模拟方法

7.1.2 几何参数及设置

7.1.3 湍流模型

7.2 曲面涡轮桨的流动特性

7.2.1 功率准数和流量准数

7.2.2 桨叶表面的压力分布

7.2.3 相位解析的压力分布

7.2.4 相位解析的速度分布

7.2.5 桨叶曲面形状的分析

7.3 HEDT涡轮桨端部的改进

7.3.1 压力系数分布

7.3.2 速度分布

7.4 本章小结

第八章 主要结论与前景展望

8.1 主要结论

8.2 前景展望

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

作者和导师简介

北京化工大学 硕士研究生学位论文答辩委员会决议书