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rushon槳在全板材攪拌槽內(nèi)流場結(jié)構(gòu)的piv研究

對湍流場的測量不同形狀的攪拌槽廣泛應(yīng)用于化工、冶金、食品、制藥等領(lǐng)域。有效的認(rèn)識(shí)攪拌槽內(nèi)流場的結(jié)構(gòu),對攪拌槽的設(shè)計(jì)有重要的意義。早期的流場測量多采用畢托管法和熱膜風(fēng)速儀法,這兩種測量方法對流場有較大的干擾。隨著激光測速技術(shù)的發(fā)展,粒子圖像測速技術(shù)(PIV)在流場測量領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,它克服了單點(diǎn)測量技術(shù)的缺點(diǎn),具有不干擾流場,測量精度高,分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。近些年,國內(nèi)外很多學(xué)者對攪拌槽內(nèi)的流場進(jìn)行過研究。Wu等使用激光多普勒法在T=270mm的攪拌槽中測量了湍流流動(dòng)參數(shù),得到了流場速度、湍流尺度、能譜函數(shù)和湍流動(dòng)能耗散率等湍流數(shù)據(jù)。Wernersson等用熱膜風(fēng)速儀測量了槽徑0.8~2.09m的攪拌槽,發(fā)現(xiàn)無因次化的湍流動(dòng)能和湍流動(dòng)能耗散率隨著單位輸入功率的增加而增加;主體區(qū)無因次化的湍流動(dòng)能與雷諾數(shù)Re無關(guān),而在槳葉區(qū),湍流動(dòng)能隨著Re的增加而增加。Sharp等研究了Rushton槳攪拌槽槳葉區(qū)的小尺度湍流結(jié)構(gòu),分析了尾渦從生成和發(fā)展的運(yùn)動(dòng)情況,對瞬時(shí)流場的測量顯示大尺度循環(huán)的變化與平均流場有關(guān)。Bugay等測量了雷諾應(yīng)力,估算出湍流動(dòng)耗散散率,發(fā)現(xiàn)40%的湍流動(dòng)能耗散在槳葉區(qū),其余60%的湍流動(dòng)能在主體區(qū)耗散。Escudié和Liné分析了Rushton槳的局部動(dòng)力學(xué)特性,湍流動(dòng)能從槳葉末端到r/R=1.4的位置處增長了2倍,隨后,湍流動(dòng)能迅速下降。Khan測量了下壓式斜葉槳的流場,實(shí)驗(yàn)表明可以通過2D-PIV測量結(jié)果估算湍流動(dòng)能,44%的湍流動(dòng)能在槳葉區(qū)耗散,槳葉區(qū)的湍流動(dòng)能耗散率是全槽平均湍流動(dòng)能耗散率的40倍。前人的研究多集中在小尺度的攪拌槽中進(jìn)行,只對單一槳徑的攪拌槳進(jìn)行研究,使用PIV對同一攪拌槽中不同槳葉直徑對流場的影響的研究還未見有報(bào)道。本文首先使用D1=0.33T的Rushton槳,測量槳葉轉(zhuǎn)過0°、10°、20°、30°、40°和50°等6個(gè)位置處的流場,根據(jù)速度場,分析了槳葉尖端和中心處湍流動(dòng)能的徑向分布。其次,在同一攪拌槽中,采用固定Re的放大準(zhǔn)則,使用D1=0.33T、D2=0.4T和D3=0.5T等3個(gè)不同直徑的Rushton槳,考察槳葉直徑對流場速度、射流偏角、槳葉排出量以及湍流動(dòng)能的影響。1實(shí)驗(yàn)用粒子圖像轉(zhuǎn)化法實(shí)驗(yàn)在直徑T=476mm的平底圓柱形有機(jī)玻璃攪拌槽內(nèi)進(jìn)行。攪拌槽的外部套有一長方形玻璃槽,兩槽中均裝滿水,兩槽中液位高度均為H=476mm,攪拌槽內(nèi)平均分布4塊擋板,每塊擋板的寬度為T/10,采用Rushton槳,槳葉直徑分別為D1=0.33T、D2=0.4T和D3=0.5T,槳葉離底距離C=T/3。實(shí)驗(yàn)所用的粒子圖像測速系統(tǒng)為美國TSI公司生產(chǎn),其組成為:Nd-YAG雙腔脈沖激光器、CCD照相機(jī)、同步器、軸編碼器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。示蹤粒子為直徑8~12μm的空心玻璃球,CCD照相機(jī)的分辨率為4008×2672像素。在流場內(nèi)加入反光性、跟隨性較好的示蹤粒子,流場由一狹縫激光束照射,CCD照相機(jī)以垂直激光光源的方向?qū)?zhǔn)被測流場,記錄下兩次脈沖激光曝光時(shí)粒子的圖像,形成兩幅PIV底片,從曝光時(shí)間內(nèi)粒子的位移計(jì)算出速度。圖1為實(shí)驗(yàn)槳葉的示意圖。測量平面與擋板之間夾角45°。獲取速度場時(shí),由于Rushton槳的6個(gè)槳葉平均分布,所以數(shù)據(jù)采集在相鄰2個(gè)槳葉之間的6個(gè)不同位置處進(jìn)行,在槳葉轉(zhuǎn)過0°、10°、20°、30°、40°和50°等6個(gè)位置處拍照,每個(gè)位置拍攝300對圖像。兩次激光脈沖的時(shí)間間隔Δt=100μs。數(shù)據(jù)處理采用TSI公司的INSIGHT3G系統(tǒng),粒子圖像采用互相關(guān)方法處理。查詢區(qū)大小為32×32像素,兩個(gè)相鄰查詢區(qū)50%重疊??臻g分辨率為1.28mm×1.28mm。2瞬時(shí)速度平均位置的選取為了消除脈動(dòng)速度的影響,得到準(zhǔn)確的速度場,需要確定最佳的樣本張數(shù)。在PIV處理過后的瞬態(tài)速度場中隨機(jī)抽取多個(gè)瞬時(shí)速度值進(jìn)行平均,抽取瞬時(shí)速度的位置在θ=20°時(shí)r/R=1.23,2z/w=1的位置處,結(jié)果如圖2所示。在樣本張數(shù)小于100之前,時(shí)均速度和均方根速度波動(dòng)都很大;在樣本張數(shù)大于300之后,時(shí)均速度和均方根速度基本不隨樣本數(shù)的變化而變化,因此,每個(gè)相位處的樣本張數(shù)為300。2.1羅赫托波場研究2.1.1槳葉徑向的變化D1=0.33T的Rushton槳的攪拌槽內(nèi)不同徑向位置處的徑向速度剖面圖如圖3所示。隨著徑向距離的增加,槳葉對流體的推動(dòng)作用減弱,徑向速度的最大值變小,且波形變寬。徑向速度的最大值所對應(yīng)的軸向位置并不是在槳葉中心位置2z/w=0處,而是出現(xiàn)在槳葉中心偏上的位置。徑向距離越大,速度最大值對應(yīng)的2z/w值越大;最大速度所對應(yīng)的2z/w位置的連線并不是沿槳葉徑向方向平行,而是向上方傾斜。此現(xiàn)象與文獻(xiàn)和的研究結(jié)果一致,是由于槳葉邊界不對稱分布和邊界條件不同引起的。2.1.2湍流動(dòng)能分布k/U2tip=12(U′2ˉˉˉˉˉˉ+V′2ˉˉˉˉˉˉ+W′2ˉˉˉˉˉˉˉ)/U2tip(1)k/Utip2=12(U′2ˉ+V′2ˉ+W′2ˉ)/Utip2(1)其中Utip代表葉端線速度,U′2ˉˉˉˉˉˉU′2ˉ、V′2ˉˉˉˉˉˉV′2ˉ、W′2ˉˉˉˉˉˉˉW′2ˉ分別代表徑向、軸向、切向3個(gè)方向上的脈動(dòng)速度平方的平均值。由于目前的實(shí)驗(yàn)使用2D-PIV,只能測得徑向與軸向兩個(gè)方向上的速度分布。文獻(xiàn)的研究表明,采用2D-LDA與3D-LDA計(jì)算出的湍流動(dòng)能最大誤差在20%左右,文獻(xiàn)的研究表明,在有擋板的攪拌槽中,2D-PIV和3D-PIV測量計(jì)算出來的槳葉附近的湍流動(dòng)能幾乎沒有差別。因此可以2D-PIV計(jì)算全槽的湍流動(dòng)能分布。假設(shè)W′2ˉˉˉˉˉˉˉ=12(U′2ˉˉˉˉˉˉ+V′2ˉˉˉˉˉˉ),(2)W′2ˉ=12(U′2ˉ+V′2ˉ),(2)可將(1)式簡化為:k/U2tip=34(U′2ˉˉˉˉˉˉ+V′2ˉˉˉˉˉˉ)/U2tip(3)k/Utip2=34(U′2ˉ+V′2ˉ)/Utip2(3)通過(3)式即可由徑向與軸向兩個(gè)方向上的脈動(dòng)速度求出湍流動(dòng)能k/U2tip。湍流動(dòng)能沿著徑向方向變化情況如圖4所示。在槳葉中心2z/w=0、槳葉上下兩端2z/w=1、2z/w=-1三處的變化趨勢相似:離開槳葉后湍流動(dòng)能增加,在達(dá)到一個(gè)峰值后,隨著徑向距離的增加而減小,直至在壁面處消散。在槳葉下端,湍流動(dòng)能在離開槳葉之后迅速增加到峰值,此峰值比其他兩處的峰值要小的多,隨后湍流動(dòng)能幾乎呈直線分布;在槳葉中心,湍流動(dòng)能離開槳葉后,在r/R=1.3附近達(dá)到最大值。由于兩尾渦在槳葉中心附近匯合,此處的湍流動(dòng)能最高,為0.12,相對于文獻(xiàn)的數(shù)據(jù)偏大,且最大位置處也比文獻(xiàn)的靠近槳葉,但在遠(yuǎn)離槳葉之后,與文獻(xiàn)的數(shù)據(jù)吻合的很好;尾渦形成之后向著徑向方向的斜上方發(fā)展運(yùn)動(dòng),所以在槳葉上端2z/w=1處湍流動(dòng)能的峰值持續(xù)了從r/R=1.3到r/R=1.7寬范圍分布。2.2不同波浪直徑的ruston槳流場的研究2.2.1徑向射流偏角不同槳葉直徑的徑向射流角實(shí)驗(yàn)值及擬合公式如圖5所示。由擬合的公式計(jì)算可得D1=0.33T的Rushton槳的徑向射流偏角為5.2°,D2=0.4T時(shí)為是5.7°,D3=0.5T時(shí)則為6°。由于流體被Rushton槳的槳葉排出之后,沿徑向方向形成射流,此股射流在槽壁附近分成上下兩股流動(dòng),因此,槳葉與槽壁之間的距離會(huì)吩徑向射流的偏角產(chǎn)生影響。對比結(jié)果表明,不同槳徑的Rushton槳產(chǎn)生的射流偏角隨著槳葉直徑的增大而略有增大。2.2.2槳葉周邊的速度和推動(dòng)作用不同槳葉直徑的湍流動(dòng)能分布如圖6所示。湍流動(dòng)能在槳葉附近呈雙峰分布,且槳葉上端的湍流動(dòng)能峰值大于槳葉下端的湍流動(dòng)能峰值,這種現(xiàn)象和文獻(xiàn)的研究成果一致。與文獻(xiàn)的數(shù)據(jù)比較發(fā)現(xiàn),湍流動(dòng)能的分布的形狀近似,在主體區(qū)的數(shù)據(jù)基本一致,但在槳葉附近本實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)比文獻(xiàn)的大。由于PIV實(shí)驗(yàn)中,兩次激光脈沖的時(shí)間間隔Δt對速度有很大的影響,實(shí)驗(yàn)中應(yīng)根據(jù)所測量流場的速度對Δt進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,本實(shí)驗(yàn)以全槽的平均速度作為調(diào)整Δt的依據(jù),槳葉附近的速度大于全流場的平均速度,因此,在槳葉附近測量到的速度可能存在誤差。在槳葉附近,不同槳葉直徑的Rushton槳產(chǎn)生的湍流動(dòng)能,大小、形狀基本相同,在離開槳葉一段距離后,由于槽壁的影響,湍流動(dòng)能開始產(chǎn)生差別。D3=0.5T的Rushton槳,在r/R=1.50處,受槽壁影響,徑向射流分成上下兩股,產(chǎn)生較大的脈動(dòng)速度,因此湍流動(dòng)能偏大;而D1=0.33T和D2=0.4T的Rushton槳在r/R=1.50處時(shí)正處于攪拌槽中間位置,湍流動(dòng)能差別不大。2.2.3槳葉直徑對高速特性的影響三種不同直徑的槳葉的操作參數(shù)具體如表1所示。由表中數(shù)據(jù)知,可通過改變槳葉直徑來改變輸入功率和排出量,在Re一定時(shí),大槳葉以較小的輸入功率產(chǎn)生大的排出量,小槳葉則以較大的輸入功率產(chǎn)生小排出量。槳葉附近存在很大的速度梯度,因此槳葉在此區(qū)產(chǎn)生對傳質(zhì)和分散有非常好效果的高剪切速率。平均剪切速率和最大剪切速率都是槳葉直徑的函數(shù),在Re一定時(shí),槳葉轉(zhuǎn)速隨著隨著槳葉直徑的增大而減小,因此全槽的平均剪切速率和最大剪切速率均隨著槳葉直徑的增大而減小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算出Rushton槳的排出量準(zhǔn)數(shù)為0.75±0.05,文獻(xiàn)研究了D/T在0.2~0.4之間的Rushton槳,其排出量準(zhǔn)數(shù)在0.73~0.89之間。在同一攪拌槽中,Re數(shù)相同的情況下,不同直徑的攪拌槳產(chǎn)生的速度無因次化后基本沒有差別;但槳葉直徑越大,攪拌槽需要的輸入功率越小,槳葉產(chǎn)生的全槽的平均剪切速率和最大剪切速率越小,但槳葉排出量增大。3槳葉的氣動(dòng)載荷(1)Rushton槳葉產(chǎn)生的徑向射流并不是沿槳葉徑向方向平行,而是向上方傾斜,其傾斜偏角為5°~6°。(2)湍流動(dòng)能在槳葉中心、槳葉上下兩端三處沿著徑向方向變化一致:離開槳葉后湍流動(dòng)能增加,達(dá)到一峰值后,隨著徑向距離的增加而減小。兩個(gè)尾渦在槳葉中心附近匯合,此處的湍流動(dòng)能峰值最大;尾渦形成之后向著徑向方向偏上的位置運(yùn)動(dòng),因此在槳葉上端附近,湍流動(dòng)能存在一個(gè)寬度很大的峰值。(3)Re一定,同一攪拌槽內(nèi),不同直徑的Rushton槳產(chǎn)生的流場速度幾乎沒有差別,但是大槳葉以較小的輸入功率,產(chǎn)生高排液量和低剪切速率,小槳葉則用較大的輸入功率,產(chǎn)生低排液量和高剪切速率;徑向射流偏角隨著槳徑的增大而增大;在槳葉附近,不同直徑的Rushton槳的湍流動(dòng)能基本相同,在近壁區(qū),槳葉直徑對湍流動(dòng)能有影響。符號(hào)說明C——攪拌槳離底高度,mmD——攪拌槳直徑,mmH——液位高度,mmk——湍流動(dòng)能,m2/s2N——

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