桨叶高度对搅拌槽内流动场的影响.docx
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桨叶高度对搅拌槽内流动场的影响
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密级学号
学生毕业设计(论文)
题目
桨叶高度对搅拌槽内流动场的影响
作者
院(系)
专业
指导教师
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榆林学院
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本人郑重声明:
所呈交的毕业设计(论文),是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。
毕业设计(论文)中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等,均已明确注明出处。
尽我所知,除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其它个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。
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论文作者签名:
年月日
摘要
搅拌设备在化工、生物、制药、材料加工以及食品加工等领域中有着非常广泛的应用,尤其是在石油化工生产中用于物料混合、溶解、传热、制备悬浮液、聚合反应等。
搅拌操作是工业反应过程中的重要环节,在促进槽内物料流动,使搅拌槽内物料均匀分布的同时,能够增大传热和传质系数,加速反应的进行。
论文采用计算流体动力学(CFD)技术对搅拌槽内的流动场进行了数值模拟,研究了6DT、6PDTU及6PDTD三种搅拌桨在桨叶高度为100mm、130mm、170mm时搅拌槽内流体的流场特性。
结果表明:
(1)对于三种桨叶,搅拌槽内均形成两个漩涡,且随着桨叶高度的增加,上下漩涡的分界面上移,上部漩涡变小,下部漩涡增大;
(2)对于三种桨叶,随着桨叶高度的增加,搅拌槽内湍流区域增大,整体混合效果更好。
(3)对于三种桨叶,随着桨叶高度的增加,所需搅拌功率下降,说明桨叶高度越高,流体在流动过程中的能量损失越小。
关键词:
搅拌槽;计算流体动力学;桨叶高度;流动场;搅拌功率
NumericalAnalysisoftheFlowFieldofStirredTankwithDifferentImpellerHeight
ABSTRACT
Stirringequipmentsarewidelyappliedinchemicalindustry,biologicalengineering,pharmaceuticalengineering,materialsprocessing,foodprocessing,etc.Especially,theyareusedformaterialsmixing,dissolving,heattransferring,preparationofsuspensionandpolymerizationreactionsinthepetrochemicalproduction.Stirringoperationisanimportantpartoftheindustryreactionprocess,itcanpromotetheflowingofmaterialsandmakematerialsdistributingevenlyinthestirredtank.Atthesametime,itcanincreasethecoefficientofheatandmasstransferandacceleratethereaction.
TheinternalflowfieldofastirredtankhasbeensimulatednumericallybyutilizingComputationalFluidDynamics(CFD),theflowcharacteristicsofthreedifferentimpellerwhichare6DT,6PDTUand6PDTDisresearchedwhentheimpellerheightis100mm,130mmand170mm.TheResultsshowthat:
(1)Asforthethreeimpellers,twovortexesareformedinthestirredtank.Withtheincreaseoftheimpellerheight,theinterfacebetweentheupperswirlandthelowerswirlismovedupward,therangeoftheupperswirlbecomessmaller,whiletherangeofthelowerswirlbecomeslarger.
(2)Asforthethreeimpellers,withtheincreaseoftheimpellerheight,theturbulentregionbecomeslarger,andthewholemixingeffectismorebetter.(3)Asforthethreeimpellers,withtheincreaseoftheimpellerheight,thepowerconsumptionofthestirredtankdecreases.Itindicatesthatwhentheimpellerheightishigher,theenergylossinfluidflowprocessismorelittle.
Keywords:
stirredtank;ComputationalFluidDynamics;impellerheight;flowfield;mixingpower
目录
第一章前言1
第二章搅拌槽内流体流动的研究现状2
2.1搅拌槽内流体流动的实验研究2
2.2搅拌槽内流体流动的数值模拟3
2.3搅拌槽实验研究与数值模拟的结合4
第三章研究目的、内容和方法5
3.1研究目的5
3.2研究内容5
3.3研究方法5
3.3.1计算流体力学5
3.3.2CFD软件结构6
3.3.3CFD模拟技术6
3.3.4计算流体动力学的工作步骤7
第四章搅拌槽内单相流动的数值模拟8
4.1模拟计算的前处理8
4.1.1建立几何模型8
4.1.2划分网格9
4.1.3确定边界条件10
4.1.4湍流模型10
4.1.5设定收敛残差10
4.1.6设定时间步长10
4.1.7迭代计算11
4.2搅拌槽内流动场的数值模拟11
4.2.16DT桨不同桨叶高度时搅拌槽内流动场的数值模拟11
4.2.26PDTU桨不同桨叶高度时搅拌槽内流动场的数值模拟12
4.2.36PDTD桨不同桨叶高度时搅拌槽内流动场的数值模拟13
4.3搅拌功率P和功率准数Np的比较15
4.4小结16
第五章总结与展望17
5.1总结17
5.2展望17
参考文献17
致谢19
第一章前言
搅拌槽是一种带有叶片的轴在圆筒或槽中旋转,将多种原料进行搅拌混合,使之成为一种混合物或适宜粘度的设备,其广泛应用于化工、食品、冶金、造字、石油和水处理等过程中,并且在工业过程中起着非常重要的作用。
搅拌混合是化工行业最古老、最常规的单元操作。
槽内流场直观的描述了槽内流体流动的基本特性,是更近一步研究槽内传质、传热、混合以及制备乳液、悬浮液的基本依据。
搅拌槽内流场具有三维和高度不确定的随机湍流特点,影响因素多,理论分析难度大,实验测量和数值模拟是取得槽内流场详尽信息的两种重要手段。
对搅拌槽内流动场的深入研究,会将槽内的混合技术推向一个更理性的高度,也提高了搅拌槽工程设计的可靠性[1]。
随着计算机技术和计算流体力学CFD(ComputationalFluidDynamics)的快速发展,对搅拌槽内流动场进行数值模拟的研究工作在近几年迅速发展起来。
其具有实验测量不可比拟的优势,逐渐成为科学研究的重要手段。
利用CFD对搅拌槽进行数值模拟,在时间和空间上定量描述流体流动、传热及相关物理现象的数值解,具有理论性和实践性的双重特征。
利用CFD对搅拌槽进行数值模拟,可以使槽内的实际现象可视化,人们可以直观的了解槽内的混合情况,消除存在的问题,对搅拌槽进行结构优化设计,在获得实验手段不能得到的数据的同时,大大节省了研究经费,为新型高效搅拌设备的研究开辟了一个新途径。
本文借助AnsysWorkbench平台,利用流体分析软件CFD实现桨叶高度对搅拌槽内流动场影响的数值模拟。
利用数值模拟的灵活性、可重复性、低成本的特点,通过改变搅拌槽桨叶高度,得到各不同高度对搅拌槽内流动场的影响规律,为实验研究奠定一定的基础,对提高搅拌槽的工作效率具有一定的指导作用。
第二章搅拌槽内流体流动的研究现状
对搅拌槽内流动特性的研究是从实验研究和数值模拟两个方面进行的。
2.1搅拌槽内流体流动的实验研究
实验研究方面,早期主要是采用毕托管、纹影照相和热膜风速仪,而现在的测试手段主要是激光多普勒测速仪以及PIV等。
早期的研究者由于测试仪器的落后,所得到的实验结果存在较大差异。
随着测试技术的发展,特别是激光多普勒测速的不断完善,对搅拌槽内流动特性的研究逐渐深入,所得的研究结果也逐渐趋向一致。
搅拌槽内部流动场是极其复杂的随机三维流动,搅拌桨在槽内造成的流动形式,对固体小颗粒、液体、气体的混合,气体的溶解及热量的传递有重要的影响。
采用圆柱坐标系将这种流动分解成径向流、轴向流和混合流,对应的搅拌桨即分为径向流搅拌桨、轴向流搅拌桨和混合流搅拌桨。
典型的径向流搅拌桨是RUSHTON桨,其流型如图2-1所示。
在桨叶作用下,流体在叶轮出口处产生强烈的径向运动,流体碰到槽壁后分为上下两股,向上流动的流体到达液面后和向下流动的流体到达槽底后,分别沿着搅拌轴再次返回到桨叶区,如此在槽的底部和上部形成两个循环区。
对于所有的径向流搅拌桨来说,圆盘是产生径向流的主要原因。
对于轴向流搅拌桨,流体在桨叶的作用下,先向下流动,碰到槽底后转向沿槽壁向上流动,到达液面后,再沿轴向向下流回桨叶区,形成简单的“单循环”流动形式,其流型如图2-2所示。
流体对桨叶产生的升力的反作用力是形成轴向流的主要原因。
在工程实际中,径向流搅拌桨和轴向流搅拌桨各有优势和缺点,其各自使用的场合也大不相同。
径向流搅拌桨能够在桨叶末端产生很强的剪切作用,易形成湍流流动,有利于各相的均匀混合,但是它把搅拌槽内的介质分为以搅拌桨为界的上下两个循环区,使搅拌槽的整体循环混合效果变差。
轴向流搅拌桨可使流体产生较强的轴向流动,整体循环能力强,但剪切能力较弱,局部混合效果较差。
斜叶搅拌桨是一种介于径向流和轴向流之间的搅拌桨,它所产生的流动有时类似轴向流,有时又类似径向流。
国内外学者对搅拌槽进行了广泛的实验研究。
Costes等[2]研究了Rushton桨搅拌槽内的平均流场和湍流特性,通过分析挡板所在平面和相邻两挡板中间平面处的速度矢量图,得出在高雷诺数下,槽内无因次的平均速度和脉动速度的分布几乎与雷诺数无关。
王平玲等[3]研究设计了一种扭弯叶片轴流式搅拌器(简称JH-2型),和三折叶桨相比,至少可节省20%-30%的功率,适用于中低粘度介质的液-液、液-固反应及传热、搅拌工艺。
图2-1径向流搅拌桨流型图图2-2轴向流搅拌桨流型图
2.2搅拌槽内流体流动的数值模拟
随着计算机科学技术、流体力学等学科的迅猛发展,出现了一门新的交叉型学科,即计算流体力学CFD(ComputationalFluidDynamics),该技术的出现极大地促进了搅拌混合研究。
流场分析是CFD技术应用中的重要一环。
CFD可以模拟不同搅拌桨型式、尺寸和离底距离等对槽内流动场的影响。
CFD模拟结果的可视化,使用户可以直观的了解槽内的流场分布情况,指导用户进行搅拌槽结构的优化设计,使搅拌槽达到很好的混合效果。
由于数值模拟大大减少了实验工作量和缩短了实验周期,并能够提供实验方法所不能获得的信息,因而越来越受到研究者的重视,对搅拌设备的开发和性能测试带来革命性的变化。
侯拴弟等[4]对轴流桨搅拌槽三维流场进行了研究,在k-ε湍流模型下成功预测了搅拌槽在不同操作条件下的宏观速度场,得出了搅拌槽内宏观流动场受搅拌桨槽径比影响较大的结论。
李志鹏[5]对CBY搅拌桨进行了数值分析,模拟了CBY桨的流动场。
并从宏观上定量地比较了搅拌桨功率准数的计算值与实验值之间的误差,分析认为这种误差是由网格、计算模型、桨叶实体模型等方面的原因引起的。
高勇等[6]研究了中心龙卷流型搅拌槽内流动场。
通过对其内部流场进行数值模拟,分析得出以下结论:
中心龙卷流型搅拌槽的功率准数较小,节能效果显著;
导流板结构不同,对流场会产生比较大的影响。
王振松等[7]对固-液搅拌槽内槽底流场进行了CFD模拟,使用标准k-ε模型计算了清水与固液两相的流场,考察了槽内流场的分布对固体颗粒悬浮状况的影响。
董厚生等[8]对搅拌槽内固液两相流进行了数值模拟及功率计算。
使用计算流体动力学的方法对搅拌槽中的流场进行模拟,得到搅拌槽中液体的流动状况和体积分数分布。
周国忠[9-10]利用CFD软件对单层和双层六直叶涡轮桨搅拌槽内的混合过程进行了数值研究,其研究侧重于模拟方法的比较。
2.3搅拌槽实验研究与数值模拟的结合
通过实验测试得到的结果是比较可靠的,但是由于搅拌槽内流体流动高度的不稳定性,测量的某些参数与实际过程有很大的差异。
通过对搅拌槽的数值模拟,可视化显示槽内流场的具体细节,获得较为真实的结果。
因此,将实验研究与数值模拟有机的结合起来是行之有效的研究方法,由此得到的研究结果对搅拌设备的设计和选型具有重大的现实意义。
聂毅强[1]利用计算流体软件CFD,采用高密度网格、k-ε湍流模型,计算了清水体系中CBY与PBT桨以及0.6%CMC水溶液体系中PBT桨的三维流动场。
利用数值方法得到了流场中不同位置的三维时均速度,并将数值模拟结果与实验数据进行了比较。
计算结果表明:
在高密度的网格下,轴向时均速度分布与实测结果吻合,但计算所得叶轮区轴向速度最大值偏大;清水体系中径向速度的计算值与实测值都很小,约0.05m/s以下,计算所得切向时均速度比实测值小。
0.6%CMC水溶液中,计算所得切向时均速度与实测值吻合很好,径向时均速度与实测值相差较大。
第三章研究目的、内容和方法
通过上一章对搅拌槽的实验研究和数值模拟的总结概述,结合现有的研究条件,确定了本论文的研究目的、内容和方法。
3.1研究目的
利用CFD对搅拌槽内单相流场进行研究,重点分析不同桨叶高度对搅拌槽内流动场和搅拌功率的影响规律,为搅拌槽的工业应用提出建议。
3.2研究内容
针对本论文的研究目的,主要研究内容如下:
(1)当6DT桨时,研究桨叶高度为100mm、130mm、170mm时搅拌槽内的流动特性和功率消耗。
(2)当6PDTU桨时,研究桨叶高度为100mm、130mm、170mm时搅拌槽内的流动特性和功率消耗。
(3)当6PDTD桨时,研究桨叶高度为100mm、130mm、170mm时搅拌槽内的流动特性和功率消耗。
3.3研究方法
本研究应用AnsysWorkbench平台,利用流体分析软件CFD实现桨叶高度对搅拌槽内流动场影响的数值模拟。
3.3.1计算流体力学
计算流体力学CFD(ComputationalFluidsDynamics)是以经典流体力学、数值计算方法和计算机技术为基础,是对包含有流体流动和热传递等物理现象进行分析的一种研究方法。
起初,CFD被认为只适合高科技领域,而且只有通过专业训练的人员才能掌握使用。
近几十年以来,随着计算机技术和CFD软件的进一步开发,简单的操作平台和友好的用户界面使得CFD的应用更加普及,其应用已遍及航空、水力、电力、化工、冶金、生化工程等诸多领域。
CFD软件是在三大守恒方程(质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程)的控制下对流体流动进行数值模拟,具有适应性强,应用面广的特点。
所有涉及流体流动、热交换、化学反应等问题,基本都可以通过此软件进行分析。
CFD也存在局限性,其结果往往有一定的误差。
同时,CFD涉及大量的数值计算,需要较高的计算机软硬件配置[11]。
3.3.2CFD软件结构
CFD软件的目的是解决流体流动问题。
所有商业CFD软件都提供了用户界面来输入参数和检查计算结果,其由三部分组成:
前处理器,解算器,后处理器。
前处理器就是为解算器定义待解决问题的各项参数。
前处理过程需要做的工作有:
定义计算域;对计算域进行网格划分;定义待解问题的类型和选择适用于待解问题的模型;定义流体的属性;确定边界条件。
解算器的任务就是对一系列的方程组进行求解。
后处理器用于对模拟结果进行查看、处理和输出。
随着计算机图形技术的发展,CFD软件中的可视化功能越来越强大。
它包括:
计算域和网格的显示;矢量图、云图的呈现;动画播放;图形的旋转、平移、放大等。
3.3.3CFD模拟技术
在搅拌槽中,存在着运动的搅拌桨、搅拌轴和静止的挡板、槽壁,其所围出的流动域的形状是随时间变化的。
解决运动的桨叶和静止的挡板之间的相互作用的方法主要有:
“黑箱”模型法、动量源法、内外迭代法、多重参考系法和滑移网格法。
(1)“黑箱”模型法
“黑箱”模型法在计算时将桨叶区从计算域中扣除,桨叶所产生的作用以某种表面的边界条件的形式来代替,边界条件的数据一般由实验得到。
由于不需要考虑桨叶区网格,处理简单。
但边界条件数据的获得需要通过实验来确定,而且一套桨叶区边界条件只能用于与实验条件几何相似的体系。
(2)动量源法
为了消除桨叶区边界条件受实验的限制,研究者开发出了新的途径以实现对搅拌槽内流动场的模拟。
基于对桨叶区流体流动的分析,1987年Pericleousl提出了“动量源”模型,把桨叶对流体的作用看作流体动量的产生源,采用切向方向的附加“源”代替六直叶涡轮作用。
(3)内外迭代法
内外迭代法是将搅拌槽计算域分成内环和外环两个重叠的部分。
内环包括旋转的桨叶,在以搅拌桨速度旋转的参考系内进行计算。
外环包括静止的挡板等,在静止坐标系下进行计算。
通过在两个区域之间交替迭代计算,获得一个收敛结果。
此法比“黑箱”模型法有了很大的进步,不再需要实验数据,实现了搅拌槽流动场的整体数值模拟。
但这种方法在计算时需要试差迭代,收敛速度较慢。
(4)多重参考系法
多重参考系法仍采用两个参考系分别进行计算,桨叶所在区域是以桨叶速度旋转的参考系,其他区域使用静止参考系,用来计算叶轮区以外的流动场。
与内外迭代法不同的是,多重参考系法划分的两个区域没有重叠的部分,不再需要内外迭代运算,两个不同区域内速度的匹配直接通过在交界面上的转换来实现,因而计算变的更加简单。
(5)滑移网格法
滑移网格法和多重参考系法对区域的划分是相同的,将计算域分成分别包含旋转的桨叶和静止的挡板的两个区域。
不同的是,在两个域交界面处有网格之间的相对滑移。
滑移网格法的不足在于计算时需要大量的计算时间以及复杂的后处理过程。
3.3.4计算流体动力学的工作步骤
运用CFD对流体流动现象进行数值模拟,一般包含下列四个步骤:
(1)建立反映工程实际问题本质的数学模型。
(2)寻求高效率以及高准确度的计算方法,如有限元法、有限差分法、有限体积法等。
(3)编制程序进行计算。
包括划分计算网格、指定初始条件和边界条件、设定控制参数等。
(4)显示和处理计算模拟结果。
第四章搅拌槽内单相流动的数值模拟
搅拌槽内流体流动是复杂的湍流状态,通过实验测定完全获得搅拌槽内流体的流动状况,是一项昂贵费时的工作,也是不现实的想法。
利用CFD方法对搅拌槽进行单相流动数值模拟,定性分析不同桨叶高度对槽内流动场和搅拌功率的影响,为搅拌槽的工业开发及应用提供一定的参考作用。
4.1模拟计算的前处理
4.1.1建立几何模型
模拟对象为一平底单层桨搅拌槽,槽内均布四块挡板,几何尺寸如表4-1所示。
由于搅拌槽几何形状和槽内流体流动的对称性,模拟时选用1/2搅拌槽作为计算域,如图4-1所示。
桨叶形式分别为六直叶圆盘桨(6DT)、六叶上斜叶桨(6PDTU)和六叶下斜叶桨(6PDTD),几何模型如图4-2所示。
槽内搅拌介质为水,其密度为1000Kg·m-3,粘度为1mPa·s,模拟时设定的搅拌轴转速为300r·min-1。
图4-1单层桨搅拌槽模型图
(a)DT桨(b)PDTU桨(c)PDTD桨
图4-2搅拌桨模型图
表4-1搅拌槽几何尺寸
名称
符号
数值(mm)
筒体直径
D
300
筒体高度
h
300
桨叶直径
d
100(=T/3)
转轴直径
D1
15
叶轮圆盘直径
D2
75
圆盘厚度
4
叶片长度
L
25
叶片高度
h1
20
桨叶高度
h2、h3、h4
100、130、170
挡板数目
Nb
4个
挡板宽度
Wb
30(=T/10)
4.1.2划分网格
对任何问题进行计算时,首先要对问题进行一定的简化,建立物理模型,然后将空间上连续的计算域进行剖分,把它划分成许多子区域,并确定每区域中的节点,即生成网格。
目前生成网格的方法可以分为两大类:
结构化网格和非结构化网格。
当计算域为比较规则的几何模型时,可以采用结构化网格进行网格划分。
当计算域比较复杂时,这时采用非结构化网格进行网格划分。
由于本次模拟所选用的搅拌桨和搅拌槽结构的不规则,其网格划分均采用非结构化网格,对桨叶、挡板及转动轴进行了网格细化,以便更好的捕捉其附近的流动特性。
并且在所有壁面处应用Inflation这一网格特性,以保证壁面处的速度变化不至于太大。
图4-3、4-4、4-5为桨叶网格划分图,图4-6为Inflation网格细化图。
图4-3DT桨网格图4-4PDTU桨网格
图4-5PDTD桨网格图4-6Inflation网格细化
4.1.3确定边界条件
结合搅拌槽结构特点和流体性质,设定边界条件如下:
(1)将动区域内的流体设定为与搅拌桨相同的转速进行旋转,而静止区域内的流体则是静止的。
(2)将轴和桨定义为动边界,边界类型均为壁面边界。
其中搅拌轴处于静止流体区域内,相对于区域内流体是运动的;搅拌桨处于运动流体区域,且和周围的流体以同样的转速进行运动,因此相对于区域内流体是静止的。
(3)由于搅拌桨距离自由液面较远,可以认为其对自由液面影响很小,自由液面处的流体几乎没有运动,因此将自由液面定义为自由滑移壁面。
(4)将挡板表面及槽壁定义为静止壁面边界条件。
4.1.4湍流模型
湍流模型是用来分析流体流动的最常见的模型,它是基于连续性方程、N-S方程和标准k-ε模型用来模拟搅拌槽内的湍流流动。
湍流模型可以更好的解决高应变率和流线弯曲程度较大的流体流动。
在壁面处,为了确定固壁附近流体的流动,需要使用标准壁面函数法。
标准壁面函数法的基本思想是:
只在湍流核心区使用RNGk-ε模型求解,对壁面区流体的流动不需要进行求解,而是直接使用半经验公式将壁面处的物理量和湍流核心区内的求解变量联系起来,直接得到与
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