高效节能搅拌器的数值模拟及性能预测

论文摘要

随着我国经济的持续、快速发展,城市化和工业化规模的不断扩大,城市污水排放量急剧增加。低成本,高效率的处理污水已经成为每个城市迫切需要解决的问题。搅拌器作为主要的污水处理设备,其搅拌效率和能耗对污水处理产业有着重要影响。研发低能耗,高效率的搅拌设备显得十分必要。本文根据某污水处理厂委托的高效节能搅拌器研发项目的研究要求,自主研发一种新型的高效节能立式搅拌器。根据搅拌器的设计理论、计算流体动力学知识和一些参考资料,建立叶轮直径为1500mm,搅拌池宽为4.8m,长为8.0m,水深为6.0m的三维实体模型。基于RNG k-ε湍流模型结合VOF方法数值模拟搅拌器分别以30、40、50 r/min的速度在搅拌池中的运行过程。其中搅拌池自由液面的位置确定采用几何重构格式进行处理；速度-压力耦合项采用PISO算法分离求解；动量、湍动能和湍流耗散率采用二阶迎风格式进行离散；迭代格式采用低亚松弛格式进行计算。通过对搅拌池流场的数值模拟及计算结果分析得出：自主研发的搅拌器在以30r/min速度运行时,搅拌池内最小速度达到0.02m/s最大速度达到0.20m/s,其速度满足搅拌要求。搅拌池内从水面到池底速度逐渐增加,从搅拌器中心到搅拌池壁面速度逐渐减小,池中水流在叶轮的推动下形成垂直旋流,同时又在叶轮旋转带动下产生水平旋流,其流场达到了良好的混合与搅拌效果。在不考虑叶轮、传动轴自重和减速箱摩擦耗能的情况下,转速为30r/min,耗能为337.0W；转速为40r/min,耗能为868.1W；转速为50r/min,耗能为1679.8W；在同等条件下,与传统的潜水搅拌器相比具有效率高,能耗低等特点。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外搅拌器研究现状及趋势
• 1.2.1 国内搅拌器研究现状
• 1.2.2 国外搅拌器研究现状
• 1.2.3 搅拌器发展趋势
• 1.3 计算流体动力学（CFD）简介
• 1.3.1 CFD的特点
• 1.3.2 CFD的优势
• 1.3.3 CFD的工作步骤
• 1.3.4 CFD的研究进展
• 1.3.5 CFD通用软件介绍
• 1.4 本文研究的主要工作
• 第二章 流体运动控制方程
• 2.1 流体动力学控制方程
• 2.1.1 连续性方程
• 2.1.2 动量守恒方程
• 2.1.3 控制方程的通用形式
• 2.2 湍流的数值模拟
• 2.2.1 湍流的基本方程
• 2.2.2 标准κ-ε模型
• 2.2.3 RNG κ-ε模型
• 2.2.4 大涡模拟
• 2.2.5 近壁湍流模拟的壁面函数法
• 2.2.5.1 动量方程中变量u的计算式
• 2.2.5.2 湍动能方程与耗散率方程中κ和ε的计算式
• 第三章 流体运动控制方程数值离散
• 3.1 数值离散方法
• 3.1.1 有限差分法
• 3.1.2 有限元法
• 3.1.3 有限体积法
• 3.1.4 谱方法
• 3.2 基于有限体积法的控制方程离散及求解
• 3.2.1 基于有限体积法的控制方程离散
• 3.2.2 基于有限体积法的常用离散格式
• 3.2.2.1 二阶中心差分格式
• 3.2.2.2 二阶迎风差分格式
• 3.2.3 基于有限体积法的压力-速度耦合离散
• 3.2.3.1 SIMPLE算法
• 3.2.3.2 SIMPLEC算法
• 3.2.3.3 PISO算法
• 3.3 可动区域中流动问题的模拟
• 3.3.1 旋转参考坐标系中的流动表述
• 3.3.2 滑移网格技术
• 第四章 水气两相分层流模型
• 4.1 水气两相分层流的湍流数学模型
• 4.2 VOF方法基本原理
• 4.2.1 VOF方程的定义
• 4.2.2 VOF方程求解
• 4.2.2.1 Hirt和Nichols的直线近似
• 4.2.2.2 FLAIR界面重构技术
• 4.2.2.3 PLIC型界面重构
• 4.2.2.4 Ubbink的界面捕捉方法-CICSAM方法
• 4.2.2.5 积分平均型TVD格式
• 4.2.2.6 FCT-VOF方法
• 第五章 搅拌器数值模拟
• 5.1 搅拌器三维实体模型
• 5.2 三维网格生成
• 5.2.1 网格类型及单元的分类
• 5.2.2 非一致网格技术
• 5.2.3 网格划分
• 5.3 边界条件设置
• 5.3.1 设定区域类型
• 5.3.2 计算边界条件设置
• 5.4. 计算结果分析
• 5.4.1 瞬态分析
• 5.4.2 稳态分析
• 5.5 搅拌器性能预测
• 第六章 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录A （攻读硕士学位期间发表论文）