论文摘要
随着我国城市化和工业化的发展,城市污水排放量急剧增加,搅拌器作为主要的污水处理设备,其搅拌和推流效果对污水处理质量有着重要影响,而搅拌叶轮设计中一直存在水力模型欠佳,搅拌效率不高,功率消耗过大等问题。随着计算流体力学（CFD）、流场测量技术的迅猛发展,对新型搅拌叶轮的开发及其搅拌流动的分析成为当前国内外搅拌设备领域研究的重点和热点。本文通过对搅拌叶轮设计现状及搅拌流动特点的分析,提出新型对数螺旋面搅拌叶轮设计方案,并对其产生的固液搅拌流场进行三维数值模拟及PIV测试,旨在较全面细致地了解该新型搅拌叶轮的结构特点和性能特征,为高效搅拌叶轮的开发及优化设计提供理论基础。本文的主要研究工作及创新性成果如下：1.在全面系统分析国内外搅拌叶轮设计和搅拌流动研究的基础上,结合固液两相流、搅拌混合机理及固液悬浮等基本理论,对搅拌叶轮作用下的流动现象进行了较全面深入的分析,并针对搅拌流场三维粘性湍流流动的计算模型和方法进行了讨论。2.以固液两相流理论为指导,首次提出对数螺旋面搅拌叶轮设计方案。针对传统搅拌叶轮在实际使用过程出现的功率消耗大,搅拌不均匀,易出现搅拌死角等问题,创新性地提出了对数螺旋面结构。该结构能有效地降低流动损失,将轴向导流和径向搅拌两部分结构有机地结合,即使在没有池壁反射下也能形成轴向和径向流动,更容易获得立体循环搅拌流量,效率更高,搅拌效果更好。借鉴离心式两相流泵叶片型线,选用对数螺旋线为新型搅拌叶轮叶片的型线方程,并采用离心泵开式叶轮设计方法对其进行设计造型。3.以颗粒动力学理论和固液两相双流体模型基本控制方程为基础,本文成功地在高浓度固液流动中引入拟平衡状态下颗粒和流体之间新的相互作用力项,即附加力项,简化了欧拉-欧拉双流体模型。以该模型为基础编写自定义函数,采用FLUENT软件,对相关文献实验结果进行模拟计算,两者吻合较好,能满足工程使用要求。据此表明,所建立的双流体模型能正确反映在整个搅拌过程中固液两相的流动特征；数值计算能准确地预测出搅拌系统内的固液流动情况,颗粒的浓度分布、悬浮效果,反映了实际的搅拌过程。4.运用计算模型及FLUENT软件,通过监控在不同雷诺数条件下对数螺旋面搅拌叶轮的力矩,计算该搅拌叶轮的功率消耗,从而得到相应的无量纲功率准数,成功绘制出对数螺旋面叶轮功率准数随Re变化曲线。经对比分析,在相同工作条件下对数螺旋面搅拌叶轮较传统轴流式叶轮（MK四斜叶整体开启涡轮）和径流式叶轮（PY平直叶圆盘涡轮）具有更低的功率准数,即功率消耗更低,更节能。5.首次针对对数螺旋面搅拌叶轮在方形污水池中的固液搅拌流动进行数值模拟,并以传统的MK和PY叶轮为比照,对比分析所形成搅拌流场的速度、浓度分布、固体颗粒悬浮效果、临界搅拌转速、功率消耗、混合时间等搅拌性能指标,结果表明：（1）池内流体在对数螺旋面叶轮的作用下形成径向射流,水流运动主要表现为沿着叶轮的径向和切向运动,在导流部件的作用下,形成整个水体的轴向循环运动；（2）在各种转速下,各搅拌叶轮下方的固体颗粒浓度大于上方的固体颗粒浓度；随着转速的增大,固体颗粒在流场中接近均匀混合；（3）随着搅拌转速的增大,固相悬浮均匀度逐渐减小,混合时间逐步递减,功率消耗逐渐增加,流场的混合效果不断提高。以悬浮均匀度为依据,可推断出各搅拌叶轮的临界搅拌转速；（4）在相同叶轮直径及转速的情况下,混合效果MK叶轮较差,对数螺旋面叶轮较好,PY叶轮最佳,但PY叶轮功率消耗最大,对数螺旋面叶轮则最节能。6.首次进行多方案方形污水池搅拌流动PIV测试及固液悬浮实验。实验结果表明：对数螺旋面叶轮和MK叶轮,都在池内形成轴向单循环流动,PY叶轮则形成双循环流动；在相同叶轮直径及转速的情况下,PY叶轮在低转速下使颗粒率先浮起,但底部堆积较其它两种叶轮严重；随着转速的不断增大,其作用下的颗粒分布情况得以改善,但能量损失较大,而对数螺旋面叶轮的搅拌效果和功耗等综合性能较好。