静态混合器数值模拟研究与结构优化

论文摘要

静态混合器是水处理中常见的混合装置,其混合效果的好坏直接关系着水处理的结果。本文以静态混合器为研究对象,采用数值模拟为主要方法,对内置长翼型静态混合器进行数值模拟,对其内部流场进行了分析,并对其结构进行优化。基于无序混合理论,制作了一种新型静态混合器结构,对其性能做了分析。区域离散是流动的数值计算中重要的一个步骤。对内置长翼型静态混合器区域离散,即网格划分时,由于其内部结构较为复杂采用分块划分网格的方法,管壁及翼片附近的网格进行了加密处理,最终划分网格的数量为405567。在求解时,流动过程确定为非稳态过程,时间离散为二阶隐式;方程离散采用二阶迎风格式;湍流模型采用k-ε双方程模型;流动混合过程采用组分输运模型。内置长翼型静态混合器内部流场模拟结果的分析显示,翼片后存在着低速、涡旋区,湍动能在翼片后具有较大值,促进了混合的发生,同时翼片使部分流体向轴心区流动,促进了对流利于均匀混合。用不均匀系数COV值表征混合效果的优劣,获得了次相质量分数分布,对称面xoy面后半段不均匀系数COV的值与文献31的实验数据对比显示,两者虽然有些差别,但趋势相同,吻合较好。数值模拟和实验结果较好的吻合说明了湍流模型与混合模型的选择适合静态混合器混合效果的分析。进而,对上述内置长翼片、垂直入流、倾斜30°静态混合器进行横向偏转翼片的优化模拟,偏转角度分别为15°、30°、45°。划分网格时,由于偏转后不再具有对称性且翼片与管壁间距较小,采用非结构化网格划分方法。横向偏转翼片后的流场模拟表明,其翼片后断面上出现了周向运动,而原模型（横向偏转0°）并没有周向运动只有径向运动,这种大范围的对流将极大地促进混合;分别计算的原模型、偏转15°、30°、45°时出口断面的不均匀系数COV值呈现先降低后升高的趋势,偏转角度30°取得最小值,即在偏转30°时能够获得最佳的混合效果;四种角度下轴线上的压力损失,随着角度变大逐渐变小。综合四种角度下混合效果和压力损失情况得出结论偏转30°后所获得的静态混合器性能最佳。静态混合器内混合元件摆放位置的周期性变化和不平行性,可以使流动产生周期性的流向变化,这将极大地促进混合效果,即实现无序混合。基于无序混合理论,制作了一种新型结构——变径螺旋带静态混合器,其内部混合元件螺旋带通过大直径部分与管壁的连接来固定,且直径不断变化,并布满整个横断面,从而能够在不同位置给予流动以扰动。对其混合过程进行的模拟表明,出口不均匀系数COV值,小于0.05达到了均匀混合,混合效果相对于内置长翼型静态混合器提高了10倍;计算了轴线上的压力损失,该值相对于内置长翼型混合器只增加了3倍。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 静态混合器
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 研究内容与意义
• 2 静态混合器数值模拟模型
• 2.1 湍流数值模拟
• 2.2 静态混合器湍流混合理论
• 2.2.1 混合过程
• 2.2.2 混合的扩散机理
• 2.3 静态混合器中流动混合的模型选择
• 2.4 本章小结
• 3 内置翼片静态混合器混合过程数值分析
• 3.1 内置翼片静态混合器物理模型
• 3.2 网格的划分
• 3.3 边界条件与求解设置
• 3.4 结果与讨论
• 3.4.1 流场分析
• 3.4.2 压力降分析
• 3.4.3 湍动能
• 3.4.4 混合效果分析
• 3.5 本章小结
• 4 内置翼片静态混合器的优化
• 4.1 物理模型
• 4.2 网格划分
• 4.3 边界条件与求解设置
• 4.4 模拟结果与讨论
• 4.4.1 流场分析
• 4.4.2 混合效果分析
• 4.4.3 压力损失分析
• 4.5 本章小结
• 5 一种新模型混合效果的数值模拟
• 5.1 物理模型
• 5.2 网格划分
• 5.3 边界条件与求解设置
• 5.4 结果与讨论
• 5.4.1 流场分析
• 5.4.2 混合效果分析
• 5.5 本章小结
• 6 结论
• 致谢
• 参考文献