搅拌釜式反应器计算流体力学模拟

论文摘要

搅拌设备在化工、食品、冶金、造纸、石油和水处理等行业中被广泛应用。尤其是在化学工业中,搅拌釜式反应器是化工生产中应用最为广泛的反应器之一。目前对其虽然己有许多的实验和理论研究,但有关的理论及设计计算方法仍不完善,半经验的方法依然是工业过程中设计和放大的主要方法,需要大量的实验数据和数学模型来描述反应器中的流体运动情况。近年来,计算流体力学（CFD）方法用于研究搅拌釜式生物反应器内的流动和混合特性,可以节省大量的时间以及人力物力,显示出卓越的优势,对未来搅拌釜的研究、开发与设计所产生的影响不可估量。本文首先利用商业CFD软件FLUENT对搅拌釜配置单六直叶圆盘涡轮搅拌器的三维流动场进行了详细的数值研究。作为基础研究,通过模拟发现:标准的k-ε模型在速度场的模拟时,其流动情况基本与实际相符合;搅拌桨周围流体主要是径向运动,为涡轮搅拌器处理气-液两相能获得较好效果提供了理论依据;搅拌桨上下分布着两个流体环,但是速度的大小相对于实际值偏小;对搅拌釜内湍流情况的模拟表明,湍动能与湍流强度分布一致,主要集中在搅拌桨区和桨尾流区,80%的能量耗散率集中在搅拌桨及其尾流区。通过对六直叶圆盘涡轮搅拌釜反应器内气-液两相流场的三维模拟,研究发现:两相流中液相呈双流体环流型,搅拌桨上方流体环因气体的出现而增大;气体的分布情况被较好的再现,径向分布良好,由此说明六直叶圆盘涡轮适宜处理气液反应,具有较长的停留时间;湍动能主要集中在搅拌桨区域和气体进口区域。通过对搅拌釜的双层六直叶圆盘涡轮以及不同型式涡轮组合的模拟研究发现:四叶开式斜桨涡轮周围只有一个流体环,结果基本与理论相符;对两种不同的双层桨搅拌釜的混合时间的模拟研究发现:在加料点相同的情况下,双层组合桨搅拌釜内轴向混合情况要优于双层直叶圆盘涡轮桨搅拌釜,这为处理高径比大的气液反应器提供了一种较好的搅拌器组合型式。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 文献综述
• 1.1 研究意义
• 1.2 CFD 简介
• 1.2.1 CFD 基本原理
• 1.3 CFD 对于搅拌桨的模拟方法
• 1.4 CFD 在搅拌釜式反应器中应用的最新进展
• 1.5 本文的研究思路
• 第二章 单层搅拌釜内三维流场的数值模拟
• 2.1 控制方程
• 2.1.1 连续性方程
• 2.1.2 动量守恒方程
• 2.1.3 能量守恒方程
• 2.2 湍流模型
• 2.3 搅拌釜结构
• 2.4 搅拌桨的模拟以及边界条件
• 2.4.1 搅拌桨的模拟
• 2.4.2 边界条件
• 2.5 网格划分
• 2.6 计算结果与讨论
• 2.6.1 速度分布
• 2.6.2 湍流强度I
• 2.6.3 湍动能（k）分布
• 2.6.4 湍流耗散率ε
• 2.7 小结
• 第三章 单层搅拌釜内气液两相流场的三维模拟
• 3.1 欧拉模型
• 3.1.1 体积分数
• 3.1.2 守恒方程
• 3.1.3 湍流方程
• 3.1.4 相间作用力
• 3.2 CFD 参数设置以及模拟方法
• 3.2.1 搅拌釜的几何尺寸
• 3.2.2 模拟方法及边界条件
• 3.2.2.1 搅拌桨模拟方法
• 3.2.2.2 边界条件
• 3.2.3 网格划分及模拟策略
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 速度分布
• 3.3.2 气含率
• 3.3.3 湍动能
• 3.4 小结
• 第四章 双层桨搅拌釜的三维数值模拟
• 4.1 控制方程
• 4.2 湍流模型
• 4.3 双层六直叶圆盘涡轮桨的三维数值模拟
• 4.3.1 搅拌釜结构
• 4.3.2 模拟方法
• 4.3.3 网格划分
• 4.3.4 边界条件
• 4.3.5 结果与讨论
• 4.3.5.1 速度分布
• 4.3.5.2 湍动能
• 4.4 双层组合桨的三维数值模拟
• 4.4.1 搅拌釜结构
• 4.4.2 模拟方法
• 4.4.3 网格划分
• 4.4.4 边界条件
• 4.4.5 结果与讨论
• 4.4.5.1 速度分布
• 4.4.5.2 湍动能
• 4.5 两种桨混合情况的比较
• 4.5.1 加料点的选择
• 4.5.2 示踪剂的选择
• 4.5.3 模型的选择以及收敛残差
• 4.5.4 结果与讨论
• 4.5.4.1 轴向混合效果比较
• 4.5.4.2 径向混合效果比较
• 4.6 小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文