导流筒搅拌槽内流体流动特性的实验研究与数值模拟

论文摘要

搅拌功率是考察搅拌桨性能和搅拌槽内混合效果的重要参数。本文在直径为0.476m的导流筒搅拌槽内,以清水与非牛顿流体（CMC-水溶液和CMC-糖浆水溶液和HEC-糖浆水溶液）为物系,使用WH五叶桨,绘制了实验桨型的完整功率曲线,测定了不同物系的功率消耗。实验数据表明,非牛顿物系在过渡流区域（雷诺数范围150至809之间）,功率准数随雷诺数的增大而略有减小,并且粘度越大,降幅越大。运用酸碱中和法测定三种不同粘度非牛顿流体的混合时间,证实使用导流筒搅拌槽和WH五叶桨的组合,可以达到对高粘流体快速、均匀的混合要求,为搅拌器的最佳设计和工业生产提供了重要参考。使用毕托管对搅拌槽内的流体流动进行了测定,详细研究了导流筒对搅拌槽内流场的影响。实验表明,导流筒搅拌槽的流场比较稳定,整个搅拌槽内形成一个大规模的轴向循环,有利于流体的高效混合。通过对流场的测量和分析,获得整套反应器的混合原理,并可以在此基础上进行优化设计。利用FLUENT,对导流筒搅拌槽内的功率曲线与流场进行了数值模拟,并且将模拟结果与实验结果进行比较,发现二者基本一致。通过比较发现,层流模型还是最适合对层流区和过渡流的低雷诺数区的模拟工作,在过渡流的高雷诺数区,RNG k-e模型相对于其它模型就更加准确,标准k-e模型最适合于对完全湍流状态的模拟与预测。并且,以桨叶转速和单位质量功为基准,对层流、过渡流和湍流状态下的流体速度进行了比较,为导流筒搅拌槽在混合工业上的应用提供了依据。研究过程中发现,在桨叶下方存在着回流区和不良混合区,并且随着Re的增大而增大。另外,在导流筒壁面附近也同样存在着一些不良区域。研究人员就如何消除不良混合区提出了两点建议,为导流筒搅拌槽的优化设计提供了重要参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 主要符号说明
• 前言
• 第一章 文献综述
• 1.1 导流筒搅拌槽的优点与特性
• 1.1.1 导流筒搅拌槽的出现与优点
• 1.1.2 导流筒搅拌槽的特性
• 1.1.2.1 流动形态
• 1.1.2.2 流量和功率
• 1.1.2.3 流体作用力
• 1.2 高粘度流体的广泛应用与混合机理
• 1.2.1 高粘度流体的广泛应用
• 1.2.3 高粘度流体混合研究现状
• 1.3 导流筒搅拌槽内混合特性的实验研究
• 1.3.1 循环流量和功率准数的研究现状
• 1.3.2 搅拌装置几何参数对循环流量的影响
• 1.3.3 混合时间
• 1.4 导流筒搅拌槽内流场的实验研究
• 1.4.1 研究意义
• 1.4.2 流场的测量方法
• 1.5 搅拌槽内流场的数值模拟
• 1.5.1 通用商业计算软件
• 1.5.2 搅拌槽内流场数值模拟的研究现状
• 1.5.2.1 导流筒搅拌槽
• 第二章 实验装置和测量方法
• 2.1 实验装置
• 2.1.1 搅拌槽几何参数及搅拌物系
• 2.1.2 搅拌桨类型及各项参数
• 2.2 实验内容及测量方法
• 2.2.1 流变性的测定
• 2.2.2 功率的测定
• 2.2.3 循环流量的测定
• 2.2.4 混合时间的测定
• 2.2.5 流场的测定
• 第三章 实验结果与分析
• 3.1 功率曲线的测定
• 3.2 清水物系
• 3.2.1 功率的测定
• 3.2.2 循环流量的测定
• 3.2.3 流场的测定
• 小结
• 3.3 非牛顿物系
• 3.3.1 物料流变性
• 3.3.2 功率的测定
• 3.3.3 混合时间的测定
• 第四章 导流筒搅拌槽内的数值模拟
• 4.1 计算模型
• 4.2 网格划分
• 4.3 计算方法
• 4.4 结果与分析
• 4.4.1 功率曲线的模拟
• 4.4.2 功率准数模拟值与实验值对比
• 4.4.3 整体流场的数值模拟
• 4.4.4 不同位置流场的实验值与模拟值比较
• 4.4.4.1 桨叶下方
• 4.4.4.2 搅拌槽中部
• 4.4.4.3 导流筒进口处
• 4.4.5 不同流动状态下流体速度的比较
• 4.4.6 装置的优化设计
• 第五章 主要结论
• 参考文献
• 附录一 传感器电压采集程序
• 附录二 五孔毕托管结构及使用方法
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文
• 附件