应用CFD模拟DTB结晶器内的流体混合过程

论文摘要

DTB型结晶器于50年代末出现的一种效能较高的结晶器,由于这种结晶器设有导流桶,形成了典型的晶浆内循环系统,混合能效更佳。大多数结晶过程的研究把结晶器操作假设为完全混合悬浮、完全混合排出（MSMPR）型结晶器,但是在大型结晶过程中,结晶器内的结晶几乎不可能达MSMPR要求的条件,因此实验室的研究结果不能准确预测晶体产品颗粒尺寸分布。近几十年大部分研究者关注于影响工业结晶的参数-晶体成长和成核,很少关注于固体悬浮对结晶的影响。据报道,操作条件（混合强度和出料位置）对连续结晶过程中颗粒尺寸分布有很大的影响,并且不同的操作条件（混合强度和尺寸颗粒）在结晶器内会产生不同的颗粒体积分布。但是,这些信息被很少报道,因为结晶器内的颗粒分布很困难被测得,特别是在连续操作条件下。因此,如果更加清楚的了解结晶过程,并对结晶的操作条件做出正确的选择,必须对结晶器内的流体动力学和固体悬浮状态做进一步了解。计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）是一种以计算机为工具,通过对流体运动方程的数值解法,研究流体在不同过程中的流动状态及其对流动过程中所发生的传质、传热等过程的影响。近年来,计算流体力学（CFD）作为一种研究手段被大量用于模拟工业结晶过程。本文使用计算流体力学的方法,模拟研究了在连续操作状态下结晶器内晶体的悬浮状态。主要内容包括：采用欧拉-欧拉多相流模型,将溶液定义为连续相,将颗粒看成是拟流体,定义为分散相；采用标准κ-ε湍流模型来模拟结晶器内的湍流流场情况；而对于连续相和分散相间的相间作用力,包括形体阻力和曳力,本文主要指曳力,用Schiller Naumann模型进行描述。本研究将连续结晶过程的模拟简化为单一粒度晶体悬浮状态的模拟。在CFD模拟中,设进料液中有晶体带入,代替结晶过程产生的晶体,考察了连续操作过程中颗粒尺寸、搅拌速度和出料位置对结晶器内液相流速和颗粒体积分数的影响。同时获得结晶器内流体动力学分布、固体悬浮分布和颗粒粒径分布,为研究结晶过程奠定了基础,为结晶器设计提供了理论依据。模拟结果表明,晶体的粒径和搅拌强度对混合状态有很大的影响,而排料口的高度则对结晶器的混合状态无明显影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 1 前言
• 1.1 本文研究背景、意义
• 1.2 本文的研究内容
• 2 绪论
• 2.1 工业结晶
• 2.1.1 工业结晶概述
• 2.1.2 结晶分离过程的特点
• 2.1.3 连续结晶和间歇结晶的区别
• 2.1.4 结晶技术的发展趋势
• 2.2 DTB结晶器
• 2.2.1 DTB结晶器概述
• 2.2.2 DTB结晶器的特点
• 2.3 计算流体力学（CFD）理论
• 2.3.1 流体和流体力学
• 2.3.2 计算流体力学概述
• 2.3.3 计算流体力学特点
• 2.3.4 计算流体力学数值模拟发展现状
• 2.3.5 计算流体力学的应用
• 2.4 计算流体力学软件
• 2.4.1 CFD软件
• 2.5 计算流体力学数值模拟技术
• 2.5.1 流体力学数值模拟基础
• 2.5.2 计算流体力学数值模拟过程
• 3 建立模型
• 3.1 计算流体力学的基本控制方程
• 3.1.1 连续性方程
• 3.1.2 动量守恒方程
• 3.1.3 能量守恒方程
• 3.1.4 组分质量守恒方程
• 3.2 湍流模型
• 3.2.1 数值模拟技术分类
• 3.2.2 常用湍流模型
• 3.3 两相流模型
• 3.3.1 欧拉—拉格朗日法
• 3.3.2 欧拉—欧拉法
• 3.4 多相流模型
• 3.5 固体悬浮模拟模型-本文模拟模型
• 4 FLUENT的模拟设置
• 4.1 滑动网格
• 4.1.1 MRF模型
• 4.1.2 滑移网格模型
• 4.2 FLUENT模拟结晶器网格结构
• 4.3 边界条件
• 4.3.1 边界条件的概述
• 4.3.2 边界条件的设定
• 4.4 初始条件设置
• 4.5 设置求解控制参数
• 5 DTB结晶器内颗粒悬浮状态的FLUENT模拟研究
• 5.1 颗粒粒径的影响
• 5.1.1 模拟条件
• 5.1.2 模拟结果与讨论
• 5.2 搅拌速度的影响
• 5.2.1 模拟条件
• 5.2.2 模拟结果与讨论
• 5.3 出料位置的影响
• 5.3.1 模拟条件
• 5.3.2 模拟结果与讨论
• 6 ANSYS CFX的模拟设置
• 6.1 滑动网格
• 6.1.1 滑动网格技术
• 6.2 结晶器的结构及网格划分
• 6.3 边界条件
• 6.3.1 边界条件的概述
• 6.3.2 边界条件的设定
• 6.4 初始条件设置
• 6.5 设置求解控制参数
• 7 DTB结晶器内颗粒悬浮状态的ANSYS CFX模拟研究
• 7.1 颗粒粒径的影响
• 7.1.1 模拟条件
• 7.1.2 模拟结果与讨论
• 7.2 搅拌强度的影响
• 7.2.1 模拟条件
• 7.2.2 模拟结果与讨论
• 7.3 出料位置的影响
• 7.3.1 模拟条件
• 7.3.2 模拟结果与讨论
• 8 结论
• 9 展望
• 10 参考文献
• 11 攻读硕士学位期间发表论文情况
• 12 致谢
• 附录