错位叶片搅拌槽内的混沌混合模拟和实验研究

论文摘要

搅拌槽是一种典型的过程设备,许多生产过程都对混合效果提出一定的要求。当搅拌槽中的流体处于湍流状态时,流体介质可以很快混合均匀。但是当流体粘度很大或者对剪切力敏感时,流体往往处于低雷诺数的层流状态,存在隔离区,影响混合效果。随着非线性理论与混沌理论的发展,人们开始利用混沌现象来破坏隔离区,加强层流状态下流体的混合。根据混沌混合理论,非周期性的流体扰动可以破坏隔离区。为在搅拌槽内产生非周期性流场,将六直叶涡轮搅拌器的六个叶片交错上下变位。为验证叶片错位对隔离区的破坏作用以及对流场的改善情况,采用数值模拟和实验相结合的方法。主要研究内容如下:采用多重参考系方法对标准叶片进行流场模拟,确定隔离区的位置,分析隔离区位置随叶片转速和叶片位置的变化规律,确定模拟方法的可行性。用验证过的模拟方法对不同Re时的几种叶片分别进行稳态流场模拟,结果显示叶片错位情况下的流场比标准的六直叶涡轮的流场有所改善,Re越大,叶片错位越大,对流场的改善效果就越明显。在搅拌槽稳态流场模拟的基础上,通过向搅拌槽加入示踪剂,进行非稳态的混合模拟,结果显示标准六直叶涡轮搅拌槽内会形成两个示踪剂浓度很低的隔离区,而错位叶片搅拌槽没有隔离区生成。这样通过混合模拟可以验证错位叶片搅拌对隔离区的破坏作用。基于对搅拌槽内流场和混合过程的模拟结果,采用酸碱中和实验观察不同类型叶片的混合效果。结果表明,标准叶片的上下方存在隔离区;而错位叶片可以破坏隔离区,搅拌效果要好于标准的六直叶涡轮。但是,隔离区能否被完全破坏隔离区与搅拌器的转速和叶片错位大小有关。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 论文中主要符号及意义
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 搅拌槽中层流混合存在的问题
• 1.2.2 混沌混合理论
• 1.2.3 CFD技术在搅拌槽模拟中的发展
• 1.2.4 层流搅拌槽的混沌混合研究
• 1.3 主要研究内容
• 第2章 搅拌槽流场的数值模拟方法
• 2.1 搅拌槽数值分析原理
• 2.2 搅拌槽数值模型
• 2.2.1 搅拌器模型
• 2.2.2 搅拌槽模型
• 2.3 网格划分方法
• 2.3.1 规则网格划分方法
• 2.3.2 网格敏感性分析
• 2.4 搅拌槽CFD模拟方法
• 2.4.1 CFD数值模拟方法选择
• 2.4.2 流场数值模拟求解过程
• 2.5 本章小结
• 第3章 错位叶片搅拌流场分析
• 3.1 隔离区位置影响因素
• 3.1.1 隔离区随Re变化规律
• 3.1.2 隔离区随叶片位置变化规律
• 3.2 不同Re下三种叶片的流场比较
• 3.2.1 Re=33.1时不同叶片下流场情况
• 3.2.2 Re=63时不同叶片下流场情况
• 3.2.3 Re=94.6时不同叶片下流场情况
• 3.3 混合过程数值模拟结果
• 3.4 不同叶片时的流体轨迹线
• 3.5 本章小结
• 第4章 流体可视化实验
• 4.1 实验装置
• 4.1.1 搅拌槽
• 4.1.2 搅拌器
• 4.1.3 实验台
• 4.1.4 实验物料
• 4.2 实验方法
• 4.2.1 实验原理
• 4.2.2 实验过程
• 4.3 实验结果与分析
• 4.3.1 标准叶片下搅拌槽内混合情况
• 4.3.2 错位叶片下搅拌槽内混合情况
• 4.4 本章小结
• 结束语
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表