Rushton搅拌釜中单相流场DES模拟与通气功率模型研究

论文摘要

搅拌釜反应器由于其外加机械搅拌,液相湍动剧烈,具有混合效果好、相接触面积大、传热和传质效率高等特点而在化工、生物、食品、制药等工业过程中有着非常广泛的应用。然而,与其有关的理论及计算方法却仍不完善,许多还是处在半经验半理论阶段。因而,越来越多的学者利用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法可以对搅拌过程进行数值模拟,使得流场可视化,给人们以清晰的认识。在湍流模拟方面,主要可分为直接数值模拟(DNS)、大涡模拟(LES)、雷诺平均方法(RANS)三种。脱体涡数值模拟(DES)是近年来出现的一种结合了雷诺平均方法(RANS)和大涡数值模拟(LES)两者优点的湍流模拟方法,可以被用来有效且快速的模拟大范围分离的湍流流动。据此,本文首次利用脱体涡数值分析方法(Detached eddy simulation, DES)研究了Rushton涡轮桨搅拌釜内的流动特性,并将模拟结果与RANS、LES模型及文献实验数据进行了比较。结果表明:DES方法可获得搅拌釜内的瞬态流场;对桨叶区时均速度及湍流动能的预测与实验数据较吻合,比RANS模型计算结果有明显改进,所需的运算时间比LES模型要少。另外考虑到传统经验关联式在工程上的简单易用性,而Rushton气液搅拌釜反应器通气时的搅拌功耗又是其设计与放大最重要的参数之一,国内外虽报道了不少关联式,但当通气速率很小时就会失去其合理性。所以本文对通气功率进行了探讨,首次提出将其分为两个部分考虑,建立了较为合理,且高精度的新型Weibull功率模型,具有一定的现实意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 搅拌釜简介
• 1.1.1 釜内流动特性
• 1.1.2 釜内典型流场
• 1.1.3 釜内流场的测量
• 1.2 CFD 技术简介
• 1.2.1 CFD 方法简介
• 1.2.2 CFD 软件
• 1.3 本课题目的与研究内容
• 第二章 CFD 数值模拟方法与模型
• 2.1 模拟方法及模型
• 2.1.1 直接数值模拟（DNS）
• 2.1.2 雷诺平均（RANS）
• 2.1.3 大涡模拟（LES）
• 2.1.4 脱体涡模拟（DES）
• 2.2 DES 模型
• 2.2.1 DES 方法的思想
• 2.2.2 DES 研究与应用
• 2.3 搅拌釜中DES 方法
• 第三章 Rushton 搅拌釜中单相流场 DES 模拟
• 3.1 前处理
• 3.1.1 Rushton 搅拌釜结构
• 3.1.2 网格生成及桨区网格处理
• 3.1.3 湍流模型
• 3.1.4 边界及初始条件处理
• 3.2 计算结果与讨论
• 3.2.1 瞬态流场
• 3.2.2 桨叶区时均速度
• 3.2.3 湍流动能
• 3.3 小结
• 第四章 Rushton 气液搅拌釜中通气功率模型
• 4.1 传统模型分析
• 4.2 通气功率影响因素
• 4.3 Weibull 模型
• 4.3.1 模型适用性研究
• 4.3.2 模型求取
• 4.4 小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表论文