槳葉高度對攪拌槽內(nèi)流動(dòng)場的影響概述

1、分類號密級單位代碼學(xué)號學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目槳葉高度對攪拌槽內(nèi)流動(dòng)場的影響作者院（系）專業(yè)指導(dǎo)教師答辯日期榆林學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）誠信責(zé)任書本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的成果。畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中凡引用他人已經(jīng)發(fā)表或未發(fā)表的成果、數(shù)據(jù)、觀點(diǎn)等，均已明確注明出處。盡我所知，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其它個(gè)人或集體已經(jīng)公開發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）與資料若有不實(shí)，愿意承擔(dān)一切相關(guān)的法律責(zé)任。論文作者簽名：月日榆林學(xué)院本科畢業(yè)論文摘要攪拌設(shè)備在化工、生

2、物、制藥、材料加工以及食品加工等領(lǐng)域中有著非常廣泛的應(yīng)用，尤其是在石油化工生產(chǎn)中用于物料混合、溶解、傳熱、制備懸浮液、聚合反應(yīng)等。攪拌操作是工業(yè)反應(yīng)過程中的重要環(huán)節(jié)，在促進(jìn)槽內(nèi)物料流動(dòng)，使攪拌槽內(nèi)物料均勻分布的同時(shí)，能夠增大傳熱和傳質(zhì)系數(shù)，加速反應(yīng)的進(jìn)行。論文采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）技術(shù)對攪拌槽內(nèi)的流動(dòng)場進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了6DT、6PDTU及6PDTD三種攪拌槳在槳葉高度為100mm、130mm、170mm時(shí)攪拌槽內(nèi)流體的流場特性。結(jié)果表明：（1）對于三種槳葉，攪拌槽內(nèi)均形成兩個(gè)漩渦，且隨著槳葉高度的增加，上下漩渦的分界面上移，上部漩渦變小，下部漩渦增大；（2）對于三種槳葉，隨著槳葉高

3、度的增加，攪拌槽內(nèi)湍流區(qū)域增大，整體混合效果更好。（3）對于三種槳葉，隨著槳葉高度的增加，所需攪拌功率下降，說明槳葉高度越高，流體在流動(dòng)過程中的能量損失越小。關(guān)鍵詞：攪拌槽；計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)；槳葉高度；流動(dòng)場；攪拌功率I榆林學(xué)院本科畢業(yè)論文NumericalAnalysisoftheFlowFieldofStirredTankwithDifferentImpellerHeightABSTRACTStirringequipmentsarewidelyappliedinchemicalindustry,biologicalengineering,pharmaceuticalengineering,m

4、aterialsprocessing,foodprocessing,etc.Especially,theyareusedformaterialsmixing,dissolving,heattransferring,preparationofsuspensionandpolymerizationreactionsinthepetrochemicalproduction.Stirringoperationisanimportantpartoftheindustryreactionprocess,itcanpromotetheflowingofmaterialsandmakematerialsdis

5、tributingevenlyinthestirredtank.Atthesametime,itcanincreasethecoefficientofheatandmasstransferandacceleratethereaction.TheinternalflowfieldofastirredtankhasbeensimulatednumericallybyutilizingComputationalFluidDynamics(CFD),theflowcharacteristicsofthreedifferentimpellerwhichare6DT,6PDTUand6PDTDisrese

6、archedwhentheimpellerheightis100mm,130mmand170mm.TheResultsshowthat:(1)Asforthethreeimpellers,twovortexesareformedinthestirredtank.Withtheincreaseoftheimpellerheight,theinterfacebetweentheupperswirlandthelowerswirlismovedupward,therangeoftheupperswirlbecomessmaller,whiletherangeofthelowerswirlbecome

7、slarger.(2)Asforthethreeimpellers,withtheincreaseoftheimpellerheight,theturbulentregionbecomeslarger,andthewholemixingeffectismorebetter.(3)Asforthethreeimpellers,withtheincreaseoftheimpellerheight,thepowerconsumptionofthestirredtankdecreases.Itindicatesthatwhentheimpellerheightishigher,theenergylos

8、sinfluidflowprocessismorelittle.Keywords:stirredtank;ComputationalFluidDynamics;impellerheight;flowfield;mixingpower目錄第一章前言1第二章攪拌槽內(nèi)流體流動(dòng)的研究現(xiàn)狀22.1 攪拌槽內(nèi)流體流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)研究22.2 攪拌槽內(nèi)流體流動(dòng)的數(shù)值模擬32.3 攪拌槽實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬的結(jié)合4第三章研究目的、內(nèi)容和方法53.1 研究目的53.2 研究內(nèi)容53.3 研究方法53.3.1計(jì)算流體力學(xué)53.3.2CFD軟件Z構(gòu)63.3.3CFD模擬技術(shù)63.3.4計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的工作步驟7第四章攪拌槽

9、內(nèi)單相流動(dòng)的數(shù)值模擬84.1模擬計(jì)算白前處理84.1.1建立幾彳S模型84.1.2劃分網(wǎng)格94.1.3確定邊界條件104.1.4湍流模型104. 1.5設(shè)定收斂殘差105. 1.6設(shè)定時(shí)間步長106. 1.7迭代計(jì)算116.2 攪拌槽內(nèi)流動(dòng)場的數(shù)值模擬111. 2.16DT槳不同槳葉高度時(shí)攪拌槽內(nèi)流動(dòng)場的數(shù)值模擬114. 2.26PDTU槳不同槳葉高度時(shí)攪拌槽內(nèi)流動(dòng)場的數(shù)值模擬125. 2.36PDTD槳不同槳葉高度時(shí)攪拌槽內(nèi)流動(dòng)場的數(shù)值模擬136.3 攪拌功率P和功率準(zhǔn)數(shù)Np的比較156.4 小結(jié)16第五章總結(jié)與展望175.1 總結(jié)175.2 展望17參考文獻(xiàn)17致謝19槳葉高度對攪拌槽內(nèi)流

10、動(dòng)場的影響第一章前言攪拌槽是一種帶有葉片的軸在圓筒或槽中旋轉(zhuǎn)，將多種原料進(jìn)行攪拌混合，使之成為一種混合物或適宜粘度的設(shè)備，具廣泛應(yīng)用于化工、食品、冶金、造字、石油和水處理等過程中，并且在工業(yè)過程中起著非常重要的作用。攪拌混合是化工行業(yè)最古老、最常規(guī)的單元操作。槽內(nèi)流場直觀的描述了槽內(nèi)流體流動(dòng)的基本特性，是更近一步研究槽內(nèi)傳質(zhì)、傳熱、混合以及制備乳液、懸浮液的基本依據(jù)。攪拌槽內(nèi)流場具有三維和高度不確定的隨機(jī)湍流特點(diǎn)，影響因素多，理論分析難度大，實(shí)驗(yàn)測量和數(shù)值模擬是取得槽內(nèi)流場詳盡信息的兩種重要手段。對攪拌槽內(nèi)流動(dòng)場的深入研究，會(huì)將槽內(nèi)的混合技術(shù)推向一個(gè)更理性的高度，也提高了攪拌槽工程設(shè)計(jì)的可靠性

11、10隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算流體力學(xué)CFD(ComputationalFluidDynamics)的快速發(fā)展，對攪拌槽內(nèi)流動(dòng)場進(jìn)行數(shù)值模擬的研究工作在近幾年迅速發(fā)展起來。其具有實(shí)驗(yàn)測量不可比擬的優(yōu)勢，逐漸成為科學(xué)研究的重要手段。利用CFD對攪拌槽進(jìn)行數(shù)值模擬，在時(shí)間和空間上定量描述流體流動(dòng)、傳熱及相關(guān)物理現(xiàn)象的數(shù)值解，具有理論性和實(shí)踐性的雙重特征。利用CFD對攪拌槽進(jìn)行數(shù)值模擬，可以使槽內(nèi)的實(shí)際現(xiàn)象可視化，人們可以直觀的了解槽內(nèi)的混合情況，消除存在的問題，對攪拌槽進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，在獲得實(shí)驗(yàn)手段不能得到的數(shù)據(jù)的同時(shí)，大大節(jié)省了研究經(jīng)費(fèi)，為新型高效攪拌設(shè)備的研究開辟了一個(gè)新途徑。本文借助AnsysW

12、orkbench平臺，利用流體分析軟件CFD實(shí)現(xiàn)槳葉高度對攪拌槽內(nèi)流動(dòng)場影響的數(shù)值模擬。利用數(shù)值模擬的靈活性、可重復(fù)性、低成本的特點(diǎn)，通過改變攪拌槽槳葉高度，得到各不同高度對攪拌槽內(nèi)流動(dòng)場的影響規(guī)律，為實(shí)驗(yàn)研究奠定一定的基礎(chǔ)，對提高攪拌槽的工作效率具有一定的指導(dǎo)作用。3第二章攪拌槽內(nèi)流體流動(dòng)的研究現(xiàn)狀對攪拌槽內(nèi)流動(dòng)特性的研究是從實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬兩個(gè)方面進(jìn)行的。2.1攪拌槽內(nèi)流體流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)研究實(shí)驗(yàn)研究方面，早期主要是采用畢托管、紋影照相和熱膜風(fēng)速儀，而現(xiàn)在的測試手段主要是激光多普勒測速儀以及piv等。早期的研究者由于測試儀器的落后，所得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在較大差異。隨著測試技術(shù)的發(fā)展，特別是激光多

13、普勒測速的不斷完善，對攪拌槽內(nèi)流動(dòng)特性的研究逐漸深入，所得的研究結(jié)果也逐漸趨向一致。攪拌槽內(nèi)部流動(dòng)場是極其復(fù)雜的隨機(jī)三維流動(dòng)，攪拌槳在槽內(nèi)造成的流動(dòng)形式，對固體小顆粒、液體、氣體的混合，氣體的溶解及熱量的傳遞有重要的影響。采用圓柱坐標(biāo)系將這種流動(dòng)分解成徑向流、軸向流和混合流，對應(yīng)的攪拌槳即分為徑向流攪拌槳、軸向流攪拌槳和混合流攪拌槳。典型的徑向流攪拌槳是RUSHTON槳，其流型如圖2-1所示。在槳葉作用下,流體在葉輪出口處產(chǎn)生強(qiáng)烈的徑向運(yùn)動(dòng)，流體碰到槽壁后分為上下兩股，向上流動(dòng)的流體到達(dá)液面后和向下流動(dòng)的流體到達(dá)槽底后，分別沿著攪拌軸再次返回到槳葉區(qū)，如此在槽的底部和上部形成兩個(gè)循環(huán)區(qū)。對于所

14、有的徑向流攪拌槳來說，圓盤是產(chǎn)生徑向流的主要原因。對于軸向流攪拌槳，流體在槳葉的作用下，先向下流動(dòng)，碰到槽底后轉(zhuǎn)向沿槽壁向上流動(dòng)，到達(dá)液面后，再沿軸向向下流回槳葉區(qū)，形成簡單的“單循環(huán)”流動(dòng)形式，其流型如圖2-2所示。流體對槳葉產(chǎn)生的升力的反作用力是形成軸向流的主要原因。在工程實(shí)際中，徑向流攪拌槳和軸向流攪拌槳各有優(yōu)勢和缺點(diǎn)，其各自使用的場合也大不相同。徑向流攪拌槳能夠在槳葉末端產(chǎn)生很強(qiáng)的剪切作用，易形成湍流流動(dòng)，有利于各相的均勻混合，但是它把攪拌槽內(nèi)的介質(zhì)分為以攪拌槳為界的上下兩個(gè)循環(huán)區(qū)，使攪拌槽的整體循環(huán)混合效果變差。軸向流攪拌槳可使流體產(chǎn)生較強(qiáng)的軸向流動(dòng)，整體循環(huán)能力強(qiáng)，但剪切能力較弱，

15、局部混合效果較差。斜葉攪拌槳是一種介于徑向流和軸向流之間的攪拌槳，它所產(chǎn)生的流動(dòng)有時(shí)類似軸向流，有時(shí)又類似徑向流。國內(nèi)外學(xué)者對攪拌槽進(jìn)行了廣泛的實(shí)驗(yàn)研究。Costes等2研究了Rushton槳攪拌槽內(nèi)的平均流場和湍流特性，通過分析擋板所在平面和相鄰兩擋板中間平面處的速度矢量圖，得出在高雷諾數(shù)下，槽內(nèi)無因次的平均速度和脈動(dòng)速度的分布幾乎與雷諾數(shù)無關(guān)。王平玲等網(wǎng)研究設(shè)計(jì)了一種扭彎葉片軸流式攪拌器(簡稱JH-2型)，和三折葉槳相比，至少可節(jié)省20%-30%的功率，適用于中低粘度介質(zhì)的液-液、液-固反應(yīng)及傳熱、攪拌工藝。圖2-1徑向流攪拌槳流型圖圖2-2軸向流攪拌槳流型圖2.2攪拌槽內(nèi)流體流動(dòng)的數(shù)值模

16、擬隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)、流體力學(xué)等學(xué)科的迅猛發(fā)展，出現(xiàn)了一門新的交叉型學(xué)科，即計(jì)算流體力學(xué)CFD(ComputationalFluidDynamics),該技術(shù)的出現(xiàn)極大地促進(jìn)了攪拌混合研究。流場分析是CFD技術(shù)應(yīng)用中的重要一環(huán)。CFD可以模擬不同攪拌槳型式、尺寸和離底距離等對槽內(nèi)流動(dòng)場的影響。CFD模擬結(jié)果的可視化，使用戶可以直觀的了解槽內(nèi)的流場分布情況，指導(dǎo)用戶進(jìn)行攪拌槽結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使攪拌槽達(dá)到很好的混合效果。由于數(shù)值模擬大大減少了實(shí)驗(yàn)工作量和縮短了實(shí)驗(yàn)周期，并能夠提供實(shí)驗(yàn)方法所不能獲得的信息，因而越來越受到研究者的重視，對攪拌設(shè)備的開發(fā)和性能測試帶來革命性的變化。侯拴弟等4對軸流槳攪拌

17、槽三維流場進(jìn)行了研究，在k-e湍流模型下成功預(yù)測了攪拌槽在不同操作條件下的宏觀速度場，得出了攪拌槽內(nèi)宏觀流動(dòng)場受攪拌槳槽徑比影響較大的結(jié)論。李志鵬5對CBY攪拌槳進(jìn)行了數(shù)值分析，模擬了CBY槳的流動(dòng)場。并從宏觀上定量地比較了攪拌槳功率準(zhǔn)數(shù)的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值之間的誤差，分析認(rèn)為這種誤差是由網(wǎng)格、計(jì)算模型、槳葉實(shí)體模型等方面的原因引起的。高勇等6研究了中心龍卷流型攪拌槽內(nèi)流動(dòng)場。通過對其內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬，分析得出以下結(jié)論：中心龍卷流型攪拌槽的功率準(zhǔn)數(shù)較小，節(jié)能效果顯著；槳葉高度對攪拌槽內(nèi)流動(dòng)場的影響導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)不同，對流場會(huì)產(chǎn)生比較大的影響。王振松等7對周-液攪拌槽內(nèi)槽底流場進(jìn)行了CFD模擬，使用

18、標(biāo)準(zhǔn)k-換型計(jì)算了清水與固液兩相的流場，考察了槽內(nèi)流場的分布對固體顆粒懸浮狀況的影響。董厚生等網(wǎng)對攪拌槽內(nèi)固液兩相流進(jìn)行了數(shù)值模擬及功率計(jì)算。使用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的方法對攪拌槽中的流場進(jìn)行模擬，得到攪拌槽中液體的流動(dòng)狀況和體積分?jǐn)?shù)分布。周國忠9-10利用CFD軟件對單層和雙層六直葉渦輪槳攪拌槽內(nèi)的混合過程進(jìn)行了數(shù)值研究，其研究側(cè)重于模擬方法的比較。2.3攪拌槽實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬的結(jié)合通過實(shí)驗(yàn)測試得到的結(jié)果是比較可靠的，但是由于攪拌槽內(nèi)流體流動(dòng)高度的不穩(wěn)定性，測量的某些參數(shù)與實(shí)際過程有很大的差異。通過對攪拌槽的數(shù)值模擬，可視化顯示槽內(nèi)流場的具體細(xì)節(jié)，獲得較為真實(shí)的結(jié)果。因此，將實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬有

19、機(jī)的結(jié)合起來是行之有效的研究方法，由此得到的研究結(jié)果對攪拌設(shè)備的設(shè)計(jì)和選型具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。聶毅強(qiáng)1利用計(jì)算流體軟件CFD,采用高密度網(wǎng)格、k-e湍流模型，計(jì)算了清水體系中CBY與PBT槳以及0.6%CMC水溶液體系中PBT槳的三維流動(dòng)場。禾用數(shù)值方法得到了流場中不同位置的三維時(shí)均速度，并將數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。計(jì)算結(jié)果表明：在高密度的網(wǎng)格下，軸向時(shí)均速度分布與實(shí)測結(jié)果吻合，但計(jì)算所得葉輪區(qū)軸向速度最大值偏大；清水體系中徑向速度的計(jì)算值與實(shí)測值都很小，約0.05m/s以下，計(jì)算所得切向時(shí)均速度比實(shí)測值小。0.6%CMC水溶液中，計(jì)算所得切向時(shí)均速度與實(shí)測值吻合很好，徑向時(shí)均速度與

20、實(shí)測值相差較大。21第三章研究目的、內(nèi)容和方法通過上一章對攪拌槽的實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬的總結(jié)概述，結(jié)合現(xiàn)有的研究條件，確定了本論文的研究目的、內(nèi)容和方法。3.1研究目的利用CFD對攪拌槽內(nèi)單相流場進(jìn)行研究，重點(diǎn)分析不同槳葉高度對攪拌槽內(nèi)流動(dòng)場和攪拌功率的影響規(guī)律，為攪拌槽的工業(yè)應(yīng)用提出建議。3.2研究內(nèi)容針對本論文的研究目的，主要研究內(nèi)容如下：(1)當(dāng)6DT槳時(shí)，研究槳葉高度為100mm、130mm、170mm時(shí)攪拌槽內(nèi)的流動(dòng)特性和功率消耗。(2)當(dāng)6PDTU槳時(shí)，研究槳葉高度為100mm、130mm、170mm時(shí)攪拌槽內(nèi)的流動(dòng)特性和功率消耗。(3)當(dāng)6PDTD槳時(shí)，研究槳葉高度為100mm、1

21、30mm、170mm時(shí)攪拌槽內(nèi)的流動(dòng)特性和功率消耗。3.3研究方法本研究應(yīng)用AnsysWorkbench平臺，利用流體分析軟件CFD實(shí)現(xiàn)槳葉高度對攪拌槽內(nèi)流動(dòng)場影響的數(shù)值模擬。3.3.1計(jì)算流體力學(xué)計(jì)算流體力學(xué)CFD(ComputationalFluidsDynamics)是以經(jīng)典流體力學(xué)、數(shù)值計(jì)算方法和計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，是對包含有流體流動(dòng)和熱傳遞等物理現(xiàn)象進(jìn)行分析的一種研究方法。起初，CFD被認(rèn)為只適合高科技領(lǐng)域，而且只有通過專業(yè)訓(xùn)練的人員才能掌握使用。近幾十年以來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和CFD軟件的進(jìn)一步開發(fā)，簡單的操作平臺和友好的用戶界面使得CFD的應(yīng)用更加普及，其應(yīng)用已遍及航空、水力、電力、

22、化工、冶金、生化工程等諸多領(lǐng)域。CFD軟件是在三大守恒方程(質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程)的控制下對流體流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，具有適應(yīng)性強(qiáng)，應(yīng)用面廣的特點(diǎn)。所有涉及流體流動(dòng)、熱交換、化學(xué)反應(yīng)等問題，基本都可以通過此軟件進(jìn)行分析。CFD也存在局限性，其結(jié)果往往有一定的誤差。同時(shí)，CFD涉及大量的數(shù)值計(jì)算，需要較高的計(jì)算機(jī)軟硬件配置11o3.3.2CFD軟件結(jié)構(gòu)CFD軟件的目的是解決流體流動(dòng)問題。所有商業(yè)CFD軟件都提供了用戶界面來輸入?yún)?shù)和檢查計(jì)算結(jié)果，具由三部分組成：前處理器，解算器，后處理器。前處理器就是為解算器定義待解決問題的各項(xiàng)參數(shù)。前處理過程需要做的工作有：定義計(jì)算域；對計(jì)算域

23、進(jìn)行網(wǎng)格劃分；定義待解問題的類型和選擇適用于待解問題的模型；定義流體的屬性；確定邊界條件。解算器的任務(wù)就是對一系列的方程組進(jìn)行求解。后處理器用于對模擬結(jié)果進(jìn)行查看、處理和輸出。隨著計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)的發(fā)展，CFD軟件中的可視化功能越來越強(qiáng)大。它包括：計(jì)算域和網(wǎng)格的顯示；矢量圖、云圖的呈現(xiàn)；動(dòng)畫播放；圖形的旋轉(zhuǎn)、平移、放大等。3.3.3CFD模擬技術(shù)在攪拌槽中，存在著運(yùn)動(dòng)的攪拌槳、攪拌軸和靜止的擋板、槽壁，其所圍出的流動(dòng)域的形狀是隨時(shí)間變化的。解決運(yùn)動(dòng)的槳葉和靜止的擋板之間的相互作用的方法主要有：“黑箱”模型法、動(dòng)量源法、內(nèi)外迭代法、多重參考系法和滑移網(wǎng)格法。(1)“黑箱”模型法“黑箱”模型法在計(jì)算

24、時(shí)將槳葉區(qū)從計(jì)算域中扣除，槳葉所產(chǎn)生的作用以某種表面的邊界條件的形式來代替，邊界條件的數(shù)據(jù)一般由實(shí)驗(yàn)得到。由于不需要考慮槳葉區(qū)網(wǎng)格，處理簡單。但邊界條件數(shù)據(jù)的獲得需要通過實(shí)驗(yàn)來確定，而且一套槳葉區(qū)邊界條件只能用于與實(shí)驗(yàn)條件幾何相似的體系。(2)動(dòng)量源法為了消除槳葉區(qū)邊界條件受實(shí)驗(yàn)的限制，研究者開發(fā)出了新的途徑以實(shí)現(xiàn)對攪拌槽內(nèi)流動(dòng)場的模擬?；趯~區(qū)流體流動(dòng)的分析，1987年P(guān)ericleousl提出了“動(dòng)量源”模型，把槳葉對流體的作用看作流體動(dòng)量的產(chǎn)生源，采用切向方向的附加“源”代替六直葉渦輪作用。(3)內(nèi)外迭代法內(nèi)外迭代法是將攪拌槽計(jì)算域分成內(nèi)環(huán)和外環(huán)兩個(gè)重疊的部分。內(nèi)環(huán)包括旋轉(zhuǎn)的槳葉，在

25、以攪拌槳速度旋轉(zhuǎn)的參考系內(nèi)進(jìn)行計(jì)算。外環(huán)包括靜止的擋板等，在靜止坐標(biāo)系下進(jìn)行計(jì)算。通過在兩個(gè)區(qū)域之間交替迭代計(jì)算，獲得一個(gè)收斂結(jié)果。此法比“黑箱”模型法有了很大的進(jìn)步，不再需要實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了攪拌槽流動(dòng)場的整體數(shù)值模擬。但這種方法在計(jì)算時(shí)需要試差迭代，收斂速度較慢。(4)多重參考系法多重參考系法仍采用兩個(gè)參考系分別進(jìn)行計(jì)算，槳葉所在區(qū)域是以槳葉速度旋轉(zhuǎn)的參考系，其他區(qū)域使用靜止參考系，用來計(jì)算葉輪區(qū)以外的流動(dòng)場。與內(nèi)外迭代法不同的是，多重參考系法劃分的兩個(gè)區(qū)域沒有重疊的部分，不再需要內(nèi)外迭代運(yùn)算，兩個(gè)不同區(qū)域內(nèi)速度的匹配直接通過在交界面上的轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)，因而計(jì)算變的更加簡單。(5)滑移網(wǎng)格法滑移

26、網(wǎng)格法和多重參考系法對區(qū)域的劃分是相同的，將計(jì)算域分成分別包含旋轉(zhuǎn)的槳葉和靜止的擋板的兩個(gè)區(qū)域。不同的是，在兩個(gè)域交界面處有網(wǎng)格之間的相對滑移?；凭W(wǎng)格法的不足在于計(jì)算時(shí)需要大量的計(jì)算時(shí)間以及復(fù)雜的后處理過程。3. 3.4計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的工作步驟運(yùn)用CFD對流體流動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)值模擬，一般包含下列四個(gè)步驟：(1)建立反映工程實(shí)際問題本質(zhì)的數(shù)學(xué)模型。(2)尋求高效率以及高準(zhǔn)確度的計(jì)算方法，如有限元法、有限差分法、有限體積法等。(3)編制程序進(jìn)行計(jì)算。包括劃分計(jì)算網(wǎng)格、指定初始條件和邊界條件、設(shè)定控制參數(shù)等。(4)顯示和處理計(jì)算模擬結(jié)果。第四章攪拌槽內(nèi)單相流動(dòng)的數(shù)值模擬攪拌槽內(nèi)流體流動(dòng)是復(fù)雜的湍流狀

27、態(tài)，通過實(shí)驗(yàn)測定完全獲得攪拌槽內(nèi)流體的流動(dòng)狀況，是一項(xiàng)昂貴費(fèi)時(shí)的工作，也是不現(xiàn)實(shí)的想法。利用CFD方法對攪拌槽進(jìn)行單相流動(dòng)數(shù)值模擬，定性分析不同槳葉高度對槽內(nèi)流動(dòng)場和攪拌功率的影響，為攪拌槽的工業(yè)開發(fā)及應(yīng)用提供一定的參考作用。4. 1模擬計(jì)算的前處理4.1.1 建立幾何模型模擬對象為一平底單層槳攪拌槽，槽內(nèi)均布四塊擋板，幾何尺寸如表4-1所示。由于攪拌槽幾何形狀和槽內(nèi)流體流動(dòng)的對稱性，模擬時(shí)選用1/2攪拌槽作為計(jì)算域，如圖4-1所示。槳葉形式分別為六直葉圓盤槳（6DT）、六葉上斜葉槳（6PDTU）和六葉下斜葉槳（6PDTD）,幾何模型如圖4-2所示。槽內(nèi)攪拌介質(zhì)為水，其密度為1000Kg-m-

28、3,粘度為1mPas,模擬時(shí)設(shè)定的攪拌軸轉(zhuǎn)速為300min-1。圖4-1單層槳攪拌槽模型圖(a) DT 槳(b) PDTU 槳(c) PDTD 槳圖4-2攪拌槳模型圖表4-1攪拌槽幾何尺寸符號數(shù)值（mm）D300筒體高度h300槳葉直徑d100(=T/3)轉(zhuǎn)軸直徑Di15葉輪圓盤直徑D275圓盤厚度64葉片長度L25葉片高度hi20槳葉高度h2、h3、h4100、130、170擋板數(shù)目Nb4個(gè)擋板寬度Wb30(=T/10)4.1.2 劃分網(wǎng)格對任何問題進(jìn)行計(jì)算時(shí)，首先要對問題進(jìn)行一定的簡化，建立物理模型，然后將空間上連續(xù)的計(jì)算域進(jìn)行剖分，把它劃分成許多子區(qū)域，并確定每區(qū)域中的節(jié)點(diǎn)，即生成網(wǎng)格。

29、目前生成網(wǎng)格的方法可以分為兩大類：結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。當(dāng)計(jì)算域?yàn)楸容^規(guī)則的幾何模型時(shí)，可以采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分。當(dāng)計(jì)算域比較復(fù)雜時(shí)，這時(shí)采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于本次模擬所選用的攪拌槳和攪拌槽結(jié)構(gòu)的不規(guī)則，其網(wǎng)格劃分均采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對槳葉、擋板及轉(zhuǎn)動(dòng)軸進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)化，以便更好的捕捉其附近的流動(dòng)特性。并且在所有壁面處應(yīng)用Inflation這一網(wǎng)格特性，以保證壁面處的速度變化不至于太大。圖4-3、4-4、4-5為槳葉網(wǎng)格劃分圖，圖4-6為Inflation網(wǎng)格細(xì)化圖。圖4-3 DT槳網(wǎng)格圖4-4 PDTU槳網(wǎng)格圖4-5 PDTD槳網(wǎng)格圖4-6 Inflation網(wǎng)格細(xì)化4.

30、1.3 確定邊界條件結(jié)合攪拌槽結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和流體性質(zhì)，設(shè)定邊界條件如下：(1)將動(dòng)區(qū)域內(nèi)的流體設(shè)定為與攪拌槳相同的轉(zhuǎn)速進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，而靜止區(qū)域內(nèi)的流體則是靜止的。(2)將軸和槳定義為動(dòng)邊界，邊界類型均為壁面邊界。其中攪拌軸處于靜止流體區(qū)域內(nèi)，相對于區(qū)域內(nèi)流體是運(yùn)動(dòng)的；攪拌槳處于運(yùn)動(dòng)流體區(qū)域，且和周圍的流體以同樣的轉(zhuǎn)速進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，因此相對于區(qū)域內(nèi)流體是靜止的。(3)由于攪拌槳距離自由液面較遠(yuǎn)，可以認(rèn)為其對自由液面影響很小，自由液面處的流體幾乎沒有運(yùn)動(dòng)，因此將自由液面定義為自由滑移壁面。(4)將擋板表面及槽壁定義為靜止壁面邊界條件。4.1.4 湍流模型湍流模型是用來分析流體流動(dòng)的最常見的模型，它是基于連續(xù)性

31、方程、N-S方程和標(biāo)準(zhǔn)k-e模型用來模擬攪拌槽內(nèi)的湍流流動(dòng)。湍流模型可以更好的解決高應(yīng)變率和流線彎曲程度較大的流體流動(dòng)。在壁面處，為了確定固壁附近流體的流動(dòng)，需要使用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法。標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法的基本思想是：只在湍流核心區(qū)使用RNGk-e模型求解，對壁面區(qū)流體的流動(dòng)不需要進(jìn)行求解，而是直接使用半經(jīng)驗(yàn)公式將壁面處的物理量和湍流核心區(qū)內(nèi)的求解變量聯(lián)系起來，直接得到與壁面相鄰控制體積的節(jié)點(diǎn)變量值。4.1.5 設(shè)定收斂殘差對流動(dòng)場進(jìn)行模擬時(shí)，設(shè)定各流動(dòng)變量的收斂殘差為10-4。4.1.6 設(shè)定時(shí)間步長為了確保模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，設(shè)定的時(shí)間步長不應(yīng)過大或過小。本次數(shù)值模擬時(shí)間步長均采用0.5so4.1.

32、7 迭代計(jì)算設(shè)定一定的迭代步數(shù)，進(jìn)行迭代計(jì)算，直至收斂。本次數(shù)值模擬迭代步數(shù)一般設(shè)定為100步。4.1.8 2攪拌槽內(nèi)流動(dòng)場的數(shù)值模擬4.2.16DT槳不同槳葉高度時(shí)攪拌梢內(nèi)流動(dòng)場的數(shù)值模擬6DT槳屬于徑向流攪拌槳，由于離心力的作用，旋轉(zhuǎn)的槳葉把動(dòng)量傳遞給它周圍的流體，使其沿徑向排出，形成高速的射流，遇到擋板和槽體時(shí)分成兩股，分別向攪拌槽上下部運(yùn)動(dòng)。漩渦的分界面基本處于槳葉中間所在的平面，整個(gè)攪拌槽內(nèi)的流型以徑向流為主，最大速度出現(xiàn)在葉片端部。圖4-7所示分別是槳葉高度為100mm、130mm、170mm時(shí)縱截面速度矢量圖。由圖可見：當(dāng)槳葉高度為100mm時(shí)，整個(gè)攪拌槽內(nèi)形成上大下小的兩個(gè)漩渦

33、，上部漩渦流速較小，下部漩渦流速較大，且上部漩渦不規(guī)則，靠近液面處流體流動(dòng)比較紊亂；當(dāng)槳葉高度為130mm時(shí)，整個(gè)攪拌槽內(nèi)形成上下兩個(gè)范圍大小基本相等的漩渦，兩漩渦流速基本持平，且流體流動(dòng)比較規(guī)則、穩(wěn)定；當(dāng)槳葉高度為170mm時(shí)，在攪拌槽內(nèi)形成上小下大的兩個(gè)漩渦，上部漩渦流速較大，下部漩渦流速較小，整體流動(dòng)趨勢穩(wěn)定。(a)槳葉高度100mm(b)槳葉高度130mm(c)槳葉高度170mm圖4-76DT槳不同槳葉高度時(shí)攪拌槽縱截面處速度矢量圖圖4-8所示分別是槳葉高度為100mm、130mm、170mm時(shí)縱截面速度云圖。由圖可見：當(dāng)槳葉高度為100mm時(shí)，槽內(nèi)流體流速不均勻，攪拌槽上部流體流動(dòng)不

34、充分，整體混合效果差；當(dāng)槳葉高度為130mm時(shí)，槽內(nèi)流體流速比較均勻，攪拌槽上部流體流動(dòng)不充分的區(qū)域縮小，整體混合效果較理想；當(dāng)槳葉高度為170mm時(shí)，槽內(nèi)流體流速分布均勻，攪拌槽上部流體流動(dòng)不充分的區(qū)域進(jìn)一步縮小，整個(gè)攪拌槽流體流動(dòng)充分，整體混合效果理想。同時(shí)，隨著槳葉高度的增加，槳葉附近的徑向射流區(qū)域隨之增大，流動(dòng)死區(qū)隨之縮小。(a)槳葉高度100mm(b)槳葉高度130mm(c)槳葉高度170mm圖4-86DT槳不同槳葉高度時(shí)攪拌槽縱截面處速度云圖4. 2.26PDTU槳不同槳葉高度時(shí)攪拌梢內(nèi)流動(dòng)場的數(shù)值模擬6PDTU攪拌槳所產(chǎn)生的流場介于徑向流與軸向流之間。槳葉端部的合成速度是向上傾斜

35、的，尤其在靠近攪拌槳處。由于6PDTU槳對流體的上揚(yáng)作用，使得流體產(chǎn)生高速向上的軸向流，將槳葉下部流體運(yùn)送到槳葉上部，使從槳葉末端甩出的流體沿斜上方排出，到達(dá)槽壁與槽壁碰撞后沿槽壁分別向上下流動(dòng)，形成兩個(gè)循環(huán)流動(dòng)，流體之間劇烈的軸向作用，使整個(gè)攪拌槽混合均勻。6PDTU攪拌槳的上揚(yáng)運(yùn)動(dòng)使攪拌槽內(nèi)漩渦的分界面高于槳葉所在平面。圖4-9所示分別是槳葉高度為100mm、130mm、170mm時(shí)縱截面速度矢量圖。由圖可見：當(dāng)槳葉高度為100mm時(shí)，攪拌槽內(nèi)形成上下兩個(gè)范圍大小基本相等的漩渦，上部漩渦流速較小，下部漩渦流速較大，靠近攪拌軸處流體流動(dòng)比較紊亂；當(dāng)槳葉高度為130mm時(shí)，攪拌槽內(nèi)形成上小下大

36、的兩個(gè)漩渦，兩漩渦流速都有所增大，流體流動(dòng)光滑規(guī)則；當(dāng)槳葉高度為170mm時(shí)，攪拌槽內(nèi)上部漩渦進(jìn)一步縮小，下部漩渦進(jìn)一步擴(kuò)大，兩漩渦流速基本持平。msM皿& UmsM(a)槳葉高度100mm(b)槳葉高度130mm(c)槳葉高度170mm圖4-96PDTU槳不同槳葉高度時(shí)攪拌槽縱截面處速度矢量圖圖4-10所示分別是槳葉高度為100mm、130mm、170mm時(shí)縱截面速度云圖。由圖可見：當(dāng)槳葉高度為100mm時(shí)，槽內(nèi)流體流速分布不均勻，攪拌槽上部流體流動(dòng)不充分，整體混合效果較差；當(dāng)槳葉高度為130mm時(shí)，槽內(nèi)流體流速比較均勻，攪拌槽上部和下部流體流動(dòng)不充分的區(qū)域縮小，整體混合效果較理想；當(dāng)槳葉高

37、度為170mm時(shí)，槽內(nèi)流體流速分布均勻，攪拌槽上部和下部流體流動(dòng)不充分的區(qū)域進(jìn)一步縮小，整體混合效果理想。同時(shí)，隨著槳葉高度的增加，槳葉附近的軸向射流區(qū)域隨之增大，流動(dòng)死區(qū)隨之縮小。煙口0.選0.657D&750蒯0.4121-0.3310.24S1116a0.004(a)槳葉高度100mm(b)槳葉高度130mmmsM(c)槳葉高度170mm圖4-106PDTU槳不同槳葉高度時(shí)攪拌槽縱截面處速度云圖4.2.36PDTD槳不同槳葉高度時(shí)攪拌梢內(nèi)流動(dòng)場的數(shù)值模擬6PDTD攪拌槳所產(chǎn)生的流場介于徑向流與軸向流之間。該槳葉端部的合成速度是向下傾斜的，在靠近攪拌槳處更為明顯。由于6PDTD槳對流體的下

38、壓作用,使得流體產(chǎn)生高速向下的軸向流，將槳葉上部的流體運(yùn)送到槳葉下部，使槳葉末端甩出的流體沿斜下方排出，到達(dá)槽壁與槽壁碰撞后沿槽壁分別向上下流動(dòng)，形成兩個(gè)循環(huán)流動(dòng)。流體之間劇烈的軸向作用，使整個(gè)攪拌槽混合更均勻。6PDTD攪拌槳的下壓運(yùn)動(dòng)使攪拌槽內(nèi)兩漩渦的分界面低于槳葉所在平面。圖4-11所示分別是槳葉高度為100mm、130mm、170mm時(shí)縱截面速度矢量圖。由圖可見：當(dāng)槳葉高度為100mm時(shí)，攪拌槽內(nèi)形成上大下小的兩漩渦，上部漩渦流速較小，下部漩渦流速較大，靠近攪拌軸處流體流動(dòng)比較紊亂；當(dāng)槳葉高度為130mm時(shí)，攪拌槽內(nèi)形成上大下小的兩漩渦流，上部漩渦流速增大，下部漩渦流圖4-116PDT

39、D槳不同槳葉高度時(shí)攪拌槽縱截面處速度矢量圖圖4-12所示分別是槳葉高度為100mm、130mm、170mm時(shí)縱截面速度云圖由圖可見：當(dāng)槳葉高度為100mm時(shí)，槽內(nèi)流體流速不均勻，攪拌槽上部流體流動(dòng)不充分，整體混合效果較差；當(dāng)槳葉高度為130mm時(shí)，槽內(nèi)流體流速比較均勻，攪拌槽上部流體流動(dòng)不充分的區(qū)域縮小，整體混合效果較理想；當(dāng)槳葉高度為170mm時(shí)，攪拌槽上部流體流動(dòng)不充分的區(qū)域進(jìn)一步縮小，整個(gè)攪拌槽內(nèi)流體流動(dòng)充分，整體混合效果理想。同時(shí)，隨著槳葉高度的增加，槳葉附近的軸向射流區(qū)域隨之增大，流動(dòng)死區(qū)隨之縮小。O.QSg0.1520.7670.6A20.4氈0例30.t740.5150.004m

40、s1-1(a)槳葉高度100mm(b)槳葉高度130mm(c)槳葉高度170mm圖4-12 6PDTD槳不同槳葉高度時(shí)攪拌槽縱截面處速度云圖4. 3攪拌功率P和功率準(zhǔn)數(shù)Np的比較攪拌功率是指攪拌槽在進(jìn)行攪拌時(shí)，在單位時(shí)間里，輸入槽內(nèi)對物料做功并使之發(fā)生流動(dòng)的能量，它不包括在軸封和傳動(dòng)裝置中消耗的能量，攪拌功率與攪拌槽的結(jié)構(gòu)，攪拌槳的形狀、尺寸和轉(zhuǎn)速，液體性質(zhì)和內(nèi)部附件（有無擋板和其它障礙物），攪拌槳在槽內(nèi)位置以及重力加速度等有關(guān)110通過模擬可以得到扭矩值，攪拌功率P與扭矩M的轉(zhuǎn)換公式：PM=9549（4.1）N由公式（4.1）得出:(4.2)cMNP=9549式中：P為攪拌功率（KW）,M為

41、攪拌扭矩（N?m）,N為攪拌轉(zhuǎn)速（r/min）。功率準(zhǔn)數(shù)Np是雷諾數(shù)Re的函數(shù)，其中(4.3)式中：D為攪拌槽的直徑，p為流體的密度，以為流體的黏度。對于一定幾何結(jié)構(gòu)的攪拌槽，Np與Re的函數(shù)關(guān)系可由實(shí)驗(yàn)測定，將這函數(shù)關(guān)系繪成曲線稱為功率曲線。功率準(zhǔn)數(shù)Np與攪拌功率P之間的關(guān)系為：NpP：n3d5(4.4)式中：P為攪拌功率（W）,N為攪拌轉(zhuǎn)速（r/s）,D為攪拌槽的直徑（m）,p為流體的密度（kg/m3）。由公式4.2和公式4.4可以計(jì)算出各種情況下的攪拌功率和功率準(zhǔn)數(shù)如表4-2、4-3和4-4所示。計(jì)算時(shí)由于軸的扭矩與槳葉的扭矩相比太小，故在計(jì)算功率時(shí)只考慮槳葉的扭矩。表4-26DT槳攪拌

42、功率j、一類型項(xiàng)目,槳葉形式為6DT槳葉高度100mm槳葉高度130mm槳葉高度170mm槳葉扭矩M（N?m）1.15X10-21.02X10-21.00M0-2功率P(W)0.360.320.31功率準(zhǔn)數(shù)Npp1.191.051.02表4-36PDTU槳攪拌功率槳葉高度100mm槳葉形式為6PDTU槳葉高度130mm槳葉高度170mm槳葉扭矩M(N?m)-20.94X102-20.86M0-20.8X0功率P(W)0.300.270.25功率準(zhǔn)數(shù)Np1.000.890.82表4-46PDTD槳攪拌功率槳葉形式為6PDTD槳葉高度100mm槳葉高度130mm槳葉高度140mm功率P (W)功率

43、準(zhǔn)數(shù)Np0. 250. 230. 820. 750. 210. 70槳葉扭矩M(N?m)0.81X10-20.72X1020.69M0-2由上述三表可見：(1)對于同種槳葉，槳葉高度100mm時(shí)功率準(zhǔn)數(shù)最大，槳葉高度130mm時(shí)功率準(zhǔn)數(shù)居中，槳葉高度170mm時(shí)功率準(zhǔn)數(shù)最小。說明槳葉高度越高，流體在流動(dòng)過程中的能量損失越小，所需攪拌功率越小。(2)對于相同槳葉高度，6DT槳功率準(zhǔn)數(shù)最大，6PDTU槳功率準(zhǔn)數(shù)中等，6PDTD槳功率準(zhǔn)數(shù)最小。說明6DT槳能量損耗最大，6PDTU槳能量損耗中等，6PDTD能量損耗最小。4.4小結(jié)利用CFD軟件對不同槳葉高度時(shí)攪拌槽內(nèi)流動(dòng)特性和攪拌功率進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到如下結(jié)論：(1)隨著槳葉高度的增加，攪拌槽上部漩渦縮小，下部漩渦增大。(2)隨著槳葉高度的增加，攪拌槽中的流體流動(dòng)死區(qū)減小，攪拌槽整體混合效果改善。(3)槳葉高度越小，攪拌槽底部流體流動(dòng)越充分。反之，槳葉高度越高，攪拌槽頂部流體流動(dòng)越充分。(4)隨著槳葉高度的增大，能量損耗隨之減小，所需攪拌功率隨之下降。(5)相同槳葉高度下，6DT槳能量損耗最大，6PDTU槳能量損耗居中，6PDTD槳能量損耗最小第五章總結(jié)與展望5. 1總結(jié)本文利用CFD