（化学工程专业论文）搅拌釜式反应器计算流体力学模拟.pdf

摘要 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( c f d ) 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c f d 软件f l u e n t 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：标准的缸s 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 拌器处理气一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，8 0 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一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。 关键词：计算流体力学；搅拌釜式反应器；标准抽模型；气一液两相流场；混合时间 a b s t r a c t a b s t r a c t s t i r r e de q u i p m e n ti sw i d e l yu s e di nc h e m i c a l ，f o o d ，m e t a l l u r g y ，p a p e rm a k i n g ，o i la n d w a t e rt r e a t i n gi n d u s t r y ，e s p e c i a l l yi nc h e m i c a li n d u s t r y ，s t i r r e dt a n kr e a c t o ri so n eo ft h em o s t w i d e l yu s e dr e a c t o ri nt h ep r o d u c t i o no fc h e m i c a li n d u s t r y a l t h o u g ht h e r ea r el o t so f t h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a ls t u d y ，t h es t u d yo fm i x i n ga n dd e s i g nm e t h o d sa r en o td e v e l o p e d w e l lu pt on o w t h es e m i e m p i r i c a lm e t h o d sa r es t i l lt h em a i nt o o l sf o rd e s i g na n ds c a l e - u p i n d u s t r yp r o c e s s e s t om e e tt h ep u r p o s ef o ro p t i m a ld e s i g n ，s c a l e u pa n df u l l yu n d e r s t a n dt h e p r o c e s s e s o c c u r r i n gi n s t i r r e dt a n kr e a c t o r , t h e r ea r en e e d sf o ra b u n d a n te x p e r i m e n t a l m e a s u r e m e n t sa n dm a t h e m a t i c a lm o d e l st om e a s u r ea n dd e s c r i b et h ec h a r a c t e r i s t i c so f f l o wi n s u c hr e a c t o r s r e c e n t l yy e a r s ，c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( c f d ) i su s e di nt h es t u d yo f f l o wa n dm i x i n gc h a r a c t e r i s t i c si ns t i r r e dt a n kr e a c t o r ，i tc a l ls a v em u c ht i m ea n dr e s o u r c e ，i t s h o w sg r e a ta d v a n t a g e ，i tw i l lh a v eg r e a ti n f l u e n c ei nt h es t u d y ，e x p l o i t a t i o na n dd e s i g no ft h e s t i r r e dt a n kr e a c t o r i nt h i ss t u d y ，b a s e do nt h ef u n c t i o np r o v i d e db yt h ec o m m e r c i a lc f ds o f t w a r e ( f l u e n t ) ， t h r e e d i m e n s i o n a lf l o wf i e l d sa r ec a r e f u l l ys t u d i e d i ti sf o u n dt h a tt h er e s u l t so ff l o wf i e l d u s i n gs t a n d a r dk - et u r b u l e n tm o d e la r ei ng o o da g r e e m e n tw i mt h ef a c t ；t h el i q u i dm o u n d t h e i m p e l l e ri sr a d i a l ，a c c o r d i n gt ot h i s ，t h eg a s - l i q u i df l o wt r e a t e db yt h et u r b i n es t i e e e rc a l lg e t w e l le f f e c t ；t w ol i q u i dr i n g sa r ed i s t r i b u t e da r o u n dt h es t i r r e di m p e l l e r ，b u tt h ev e l o c i t y m a g n i t u d ei ss m a l l e rt h a nt h ed a t ao fe x p e r i m e n t t h r o u g ht h es i m u l a t i o no ft h et u r b u l e n t ，i t i sf o u n dt h a tt h ed i s t r i b u t i o no ft h et u r b u l e n tk i n e t i ce n e r g yi st h es a m ew i t ht h et u r b u l e n t i n t e n s i t y ，m o s to ft h et u r b u l e n tk i n e t i ce n e r g yi sc o n c e n t r a t e di nt h ef i e l do fi m p e l l e r ，8 0 p e r c e n to ft h et u r b u l e n td i s s i p a t i o nr a t i oi si nt h ef i e l do fi m p e l l e ra n di t st r a i lf l o w t h eg a s l i q u i df l o wi nt h es t i r r e dt a n kr e a c t o rw a ss i m u l a t e dt o o t w ol i q u i dr i n g sa r e a l s od i s t r i b u t e da r o u n dt h es t i r r e di m p e l l e r ，b u tt h el i q u i dr i n ga b o v et h es t i r r e di m p e l l e ri s b i g g e rb e c a u s eo ft h eg a s se x i s t e n c e ；t h ed i s t r i b u t i o no ft h eg a sa r ew e l la p p e a r e d ，r a d i a l d i s t r i b u t i o ni sg o o d ，w ec a ns e et h a tt h et u r b i n es t i r r e ri sp r o p e rt ot r e a tt h eg a s l i q u i d r e a c t i o n ，i th a sl o n g e rs t i c kt i m e ；m o s to ft h et u r b u l e n tk i n e t i ce n e r g yi si nt h ef i e l do fs t i r r e r a n dt h eg a si n l e t t h r o u g ht h es i m u l a t i o no ft h ed o u b l ed e c ks t i r r e d 切nk ，i ti sf o u n dt h a ta r o u n dt h e g r a d i e n ti m p e l l e r ，t h e r ei so n l yo n el i q u i dr i n g ，i ti sw e l la c c o r dw i t ht h ef a c t ；c o m p a r et h e m i x i n gt i m ei nt h et w ok i n do fd o u b l ed e c ks t i r r e dt a n k ，w ec a nf o u n dt h a tt h ea x i a lm i x i n g s i t u a t i o ni nt h ed o u b l ec o m b i n e ds t i r r e dt a n ki sb e t t e rt h a nt h ed o u b l et u r b i n es t i r r e dt a n kw i t h a l lo t h e r sc o n d i t i o ns a m e ，i tg i v e sab e t t e rc o m b i n ep a t t e mo fs t i r r e rt ot h eb i gh dg a s l i q u i d r e a c t o r k e y w o r d s ：c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ；s t i r r e dt a n kr e a c t o r ；s t a n d a r dk - et u r b u l e n tm o d e l ； g a s 1 i q u i df l o w ；m i x i n gt i m e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签 名：。温建 日 期：粥- 7 0 0 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名：遇支 导师签名：五娘 第一章文献综述 1 1 研究意义 第一章文献综述 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，工艺过程的种种化学变化，是以参加反应物质的充分混合为前提的，对 于加热、冷却和液体萃取以及气体吸收等物理变化过程，大多需要采用搅拌操作以得到 好的效果。搅拌设备操作条件( 如浓度、温度、停留时间等) 的可控范围较广，能够适应 多样化的生产。搅拌设备在许多场合是作为反应器来使用的。比如合成橡胶、合成纤维、 合成塑料这三大合成材料的生产中，搅拌反应器约占反应器总数的8 5 t 1 1 。一 按照搅拌混合所处理的介质划分可分为：低粘度流体混匀，高粘度流体混匀，固体 悬浮，液液乳化，固液传质，气液传质，快速反应，搅拌传热等。对每一方面的研究大 体包括功率关联、过程特征参数( 如临界悬浮速度、传质系数、传热系数) 的关联以及流 场，微观过程( 如尾涡行为，微团混合机理) 的研究。流体混和技术在6 0 年代到8 0 年代 间得到了迅猛发展，其研究重点主要是对于常规搅拌桨，在低粘和高粘的非牛顿均相体 系、固液悬浮和气液分散等非均相体系中的搅拌功率、混合时间等宏观量进行实验研究， 积累了大量的设计经验和关联式1 2 l 。但是，依据这些设计经验和关联式进行工业装置设 计时，人们还是要小心翼翼的，大部分依然需要通过逐级放大，来达到搅拌设备所要求 的传质、传热和混合。这种方法不但消耗巨额的资金和大量的人力物力，而且设计周期 很长。 进入2 0 世纪9 0 年代，人们清楚地认识到，准确地描述和模拟均相、非均相混合过 程以及复杂的混合与反应耦合的过程，为混合设备的设计和放大提供了理论指导，是混 合技术的一个重要的发展方向。新的测量和模拟技术的应用使混合技术进入了新的发展 阶段。这将直接有助于设计更加安全和优化的过程设备、提高过程效率和降低失败风险， 并最终提高反应产率。 搅拌槽内的流动是三维的和高度不稳定的湍流，脉动和随机湍流给流速测量带来了 很大困难，早期使用的刘昌测量方法如毕托管、热线或热膜风速仪等，都由于将探头插 入流场而使流动受到干扰，目前已较少采用。8 0 年代以来，国内外开始运用激光多普勒 测速仪l d v 来测量搅拌槽内流场【3 j 。激光多普勒测速仪是一种很有效的流场测量手段， 它实现了流场的非接触测量，对流场不造成任何干扰，可同时测量三维速度分量，空间 分辨率高，动态响应快。据美国l i g h t n i n 公司报道，a 3 1 0 搅拌桨就是利用激光测速仪 开发的。国内浙江大学，华东理工大学和北京化工大学等单位都在使用激光测速仪开发 和改进搅拌设备。l d v 测量数据的主要用途还用于验证数值计算的结果和提供模型的 边界条件。近几年l d v 还被用于测量多层桨的搅拌特性，如排量和循环流量。 对于搅拌设备内流场的测量往往只能获得一些局部的信息，而且流场测量的实验装 置一般比较昂贵，实验过程比较费时。对于某些过程有时是无法进行实验测量的。 近年来，迅速发展起来的计算流体力学为解决这些问题提供了有效手段。计算流体 江南大学硕士学位论文 力学( c f d ) 是多领域交叉的学科，涉及计算机科学、流体力学、偏微分方程的数学理论、 计算几何和数值分析等学科。这些学科交叉融合，相互促进和支持推动着这些学科的深 入发展。在c f d 出现以前，流体研究主要有理论流体力学和实验流体力学两种手段。c f d 的出现不仅丰富了流体力学的研究手段，而且由于其强大的数值运算能力，可以解算用 解析方程不能求解的方程，解决了某些理论流体力学无法解决的问题。另外，c f d 的应 用减少了实验测试次数，节省了大量的资金和时间，并能解决某些由于实验技术所限难 以解决的问题。自从8 0 年代人们第一次将c f d 用于搅拌釜的模拟，人们开始从这一全新 的亚微观角度对搅拌釜内流体力学的不均一性质进行模拟，并试图由此实现反应器的放 大。与传统的工程方法相比，c f d 具有以下优点：( 1 ) 通过c f d 模拟，我们可以了解搅 拌釜内流场的细节，包括流速、湍流粘度、剪切力、正压力、气体分布和混合时间等， 而传统的工程方法只能通过经验公式得到整个搅拌釜的平均剪切力大小，平均混合时间 等。( 2 ) 通过c f d 模拟，我们可以在计算机的虚拟现实系统中对不同类型的反应器、搅 拌釜的不同桨型以及搅拌釜的不同尺寸进行模拟，研究这些参量的变化对反应器内部流 场的影响，而不需要设计、制造各式的反应器以及进行大量的实验工作。( 3 ) 结果精确， 节约人力、财力。当然c f d 本身还是一个不断发展、更新的体系，还存在一定缺陷，如 湍流理论还不够完善、对于多相流的模拟还处在初步阶段等。 1 2c f d 简介 计算流体力学( c f d ) 是以计算机数值计算为基础，对流体流动，传热以及相关现象 进行分析的一种研究方法。c f d 以其强大的能力，在各种领域得到了广泛的应用，比如 航空、水力、电力、化工、冶金和生物化工等。将c f d 方法应用于搅拌混合过程的研 究是从8 0 年代开始的。虽然其应用的时间还不算长，但是却给搅拌混合研究注入了新 鲜的血液。众所周知，对搅拌混合这种古老的单元操作过程研究尚未形成完整的理论体 系，主要还是依靠一些经验的手段，如基于单位体积功、雷诺数或叶端线速度等放大准 则一直仍在使用。实践证明，按上述原则设计优化的搅拌器有许多不是处于最佳状态， 造成浪费。随着新产品及新技术的发展，对过程中流体的混合效果、传热及传质提出了 更高的要求。传统的经验放大设计方法的可靠性越来越受到人们的质疑。因此，对搅拌 釜的设计优化迫切需要建立更可靠的放大准则。c f d 方法正是适应这种趋势而发展起来 的一种新的设计工具。 1 2 1c f d 基本原理 任何流体运动的规律都是遵循以下三个定律的：质量守恒定律，动量守恒定律和能 量守恒定律。这些基本定律可由数学方程组来描述，如e u l e r 方程、n s 方程。采用数值 计算的方法，通过计算机来求解这些数学方程，研究流体运动特性，给出流体运动空间 定常和非定常的流动规律，这一学科就是计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ， 2 第一章文献综述 c f d ) 。从2 0 世纪6 0 年代开始c f d 技术己经被用于航空工业中飞机、发动机的设计和生 产中。起初，c f d 被认为只适用于高技术工业，而且只有经过特殊培训的专业人员才能 使用。从2 0 世纪8 0 年代中期至今，随着计算机和商业c f d 软件的发展，简单的操作平台 和友好的用户界面使得c f d 的应用更加普及【4 】。 c f d 软件的结构安排都是围绕解决流体流动问题的。为了能够很方便的解决问题， 所有商业软件都提供了用户介面来输入参数和检查计算结果。因此，商业c f d 软件基本 上由三部分组成：前处理，解算器，后处理。 前处理过程就是为解算器定义需要解决的问题的参数。前处理过程需要做的工作 有：定义计算所关心的区域，即计算域：对计算域进行网格划分；定义求解问题的类型 和选择适用于求解问题的模型；定义流体的属性；确定边界条件。对流动问题的求解是 在每一个网格上进行的，因此，网格的质量和数量直接影响到计算结果的准确性。通常 来说，网格数越多，计算结果越准确，但是计算费用也越高。比较好的方法是采用非一 致的网格：对梯度变化较大和研究比较关心的区域采用细网格，而对梯度变化小的区域 采用粗网格。还有一种方法称为自适应网格技术，它提供了多种的网格自适应方法，当 你j 下确地用自适应法完善网格，在网格中如果需要，可以增加网格单元，这样使你更精 确地计算流场的特性。 解算器的任务就是对一系列的方程进行求解。f l u e n t 提供两种不同的解格式： 分离解，耦合解。耦合解又可以分为：隐式耦合解，显式耦合解。这几种解法都可以在 很大流动范围内提供准确的结果，但是它们也各有优缺点。分离解和耦合解方法的区别 在于，连续性方程、动量方程、能量方程以及组分方程的解的步骤不同，分离解是按顺 序解，耦合解是同时解。两种解法都是最后解附加的标量方程( 比如：湍流或辐射) 。隐 式解法和显式解法的区别在于线化耦合方程的方式不同。分离解以前用于f l u e n t4 和 f l u e n t u n s ，耦合显式解以前用于r a m p a n t 。分离解以前是用于不可压流和一般可 压流的。而耦合方法最初是用来解高速可压流的。现在，两种方法都适用于很大范围的 流动( 从不可压到高速可压) ，但是计算高速可压流时耦合格式比分离格式更合适。 f l u e n t 默认使用分离解算器，但是对于高速可压流( 如上所述) ，强体积力导致的强烈 耦合流动( 比如浮力或者旋转力) ，或者在非常精细的网格上的流动，你需要考虑隐式解 法。这一解法耦合了流动和能量方程，常常很快便可以收敛。耦合隐式解所需要内存大 约是分离解的1 5 到2 倍，选择时可以通过这一性能来权衡利弊。在需要隐式耦合解的时 候，如果计算机的内存不够就可以采用分离解或者耦合显式解。耦合显式解虽然也耦合 了流动和能量方程，但是它还是比耦合隐式解需要的内存少，但是它的收敛性相应的也 就差一些。对于分离解和耦合解都采用相同的离散方法，即有限体积法，所不同的是线 化的方法和离散方程的解法，分离解方法同时考虑所有单元来解出单个变量的场而耦合 隐式求解器同时在所有单元内解出所有变量。 后处理用来对计算结果进行查看和数据的输出。f l u e n t 提供的图形工具可以使你 很方便的处理c f d 求解结果中包含的信息并观察相应的结果。它包括：基本图形生成； 自定义图形显示；控制鼠标按键函数；修改视图；场景的生成；动画；视频生成；柱状 江南大学硕士学位论文 图与x y 散点图。 1 3c f d 对于搅拌桨的模拟方法 c f d 在搅拌釜式中的应用可以追溯到2 0 世纪7 0 年代，近年来c f d 技术的发展都可以 从在该反应器的应用中体现出来【5 j 。搅拌釜中的流动场是非常复杂的，流动变量的变化， 尤其是湍流参量的变化有时达到2 到3 个数量级，因而对反应器性能的影响是非常重要 的。而建立在传统方法上的放大准则，像单位体积功，桨叶雷诺数，叶端线速度等，都 是基于全场基础上的，忽略了局部的变化，因而在某些情况下这些准则的准确性会受到 质疑，有时甚至会与实际情况相矛盾。对搅拌釜式反应器的研究迫切需要c f d 技术的支 持，它可以提供反应器设计和放大的详尽信息。 从数值模拟的观点来看，模拟搅拌釜所面临的挑战是由液面、釜壁、挡板、搅拌桨 和搅拌轴所围出的流动域是随时间变化的，这是与化工过程中其它反应器的一个差别。 为了解决运动的桨叶和静止的挡板之间的相互作用，许多研究者提出了各自不同的解决 办法。这个过程就是c f d 技术不断发展完善的过程。这些方法主要有：“黑箱 法、内 外迭代法、多重参照系法、滑动网格法和“快速照相 法等。 ( 1 ) “黑箱 法 最初的搅拌釜式模拟用的是搅拌桨边界条件法，该方法将搅拌桨看作是一个“黑匣 子 ，搅拌桨扫过区域从计算区域中除去。桨叶产生的作用以某种边界条件的形式来代 替，如在“黑匣子”的表面加流动的出口或入口边界条件。设定边界条件的数据一般由 实验确定。 h a r v e r y 6 - 7 | 等第一次用这种方法对带有标准涡轮桨的搅拌釜进行了二维模拟，并与 实验数据做了比较，平均速度域的预测结果和实验结果定性吻合，但在搅拌桨附近和釜 底的预测结果与实验数据差别比较大。预测结果的差异主要是由搅拌桨边界条件和过度 的简化假设引起的。 r a n a d e 和j o s h l 8 - 9 1 采用两种不同的桨叶边界定义方法计算了涡轮搅拌桨的三维流动 场，并与自己的实验数据进行了比较。他们发现：给定桨叶区边界某个面上的值，而不是 给定所有面上的值，计算结果较好。他们认为给定所有面上的实验数据不能严格满足桨 叶扫过区域的守恒方程，因而导致计算结果不如只给定某个面上的值的好。 m i d d l e t o n i i o j 等第一次用这种方法对搅拌釜做了三维模拟，此外他们还模拟了一个连 续一竞争反应体系。通过对3 0 0 l 和9 0 0 l 两个几何相似的搅拌釜计算的结果比较，他们发 现用传统方法进行放大可能导致混合状况的不良和产率的下降。 s l l 翻n n e 【l l j 等用前人提出的“旋转径向射流”模型来计算搅拌桨边界条件，并进一 步发展和明确了这一模型，从而使确定边界条件所需的参数只有最大射流速度和桨叶尖 处的流动角。平均速度域的计算结果和实验结果吻合，湍动能的扩散和衰减趋势以及湍 动能扩散率的径向衰减趋势的计算结果也比较好。 从上面的分析我们可以发现这种方法的缺陷，边界条件的确定离不开实验数据，另 4 第一章文献综述 外使用这种方法不能得到搅拌桨处流动的细节问题。受这些条件的限制，c f d 仍然不能 成为独立的设计工具。 ( 2 ) 内外迭代法 在这种方法中，整个计算区域被分成相互重叠的两个部分( 如图1 1 ) ：包含搅拌桨的 内区和包含挡板的外区。计算方法如下： 首先在旋转坐标系下对内区流场进行模拟，这样就得到了整个搅拌桨区域的流动性 质，包括界面2 上的速度、湍动能和湍动能耗散率。接下来，仿照“黑箱法 ，用静 止坐标系，以l 上的数据作为边界条件来计算外区流场。于是得到整个外区的流动性 质，包括表面2 速度、湍动能和湍动能耗散率。再以2 上的数据作为边界条件对内区 进行的二次计算，依此类推，直到得到满意的结果。 图1 - 1内外迭代法示意图 f i g 1 - 1s c h e m a t i cr e p r e s e n t a t i o no f i n n e r - o u t e rm e t h o d 这种方法是基于一种“多块网格 法，所谓的“多块网格”法就是在分成几块的计 算网格上对流域进行计算。在每一块中，计算网格可以不考虑其它的网格而独立生成。 t a k e d a 等【1 2 j 对“多块网格 方法进行了描述，并进行了模拟，但并没有提供和实验数据 的定量比较。 b r u c a t o 等 1 3 - 1 4 用内外迭代法计算了涡轮搅拌桨的流场，并与“黑箱”模型的计算结 果进行了比较。通过功率准数的比较发现，内外迭代法要比“黑箱”模型法对网格更敏 感，在细网格情况下，两种方法的计算结果相差只有5 。对桨叶边缘轴向速度的预报 两者也非常接近，只有3 的差距，但对近壁区域轴向最大速度的预报内外迭代法要比 “黑箱 模型法高约3 0 3 5 。同时，他们还计算了双层直叶涡轮搅拌桨和一种轴向流 搅拌桨的流动场，成功的计算结果再次说明了这种方法广泛的应用能力。 h a r v e y 等 i s - 1 6 j 利用这种方法对带有挡板和4 5 度斜叶桨的搅拌釜进行了稳态模拟。他 们将整个计算区域分成了六个区。和实验结果的比较表明，轴向和径向速度的计算结果 较好。但切向速度的计算结果只是定性正确。他们还对带有挡板和涡轮桨的搅拌釜式生 物反应器进行了非稳态模拟，并和实验结果进行了比较。考虑到计算用的时间不是很长， 计算结果和实验数据吻合的还算好。 江南大学硕士学位论文 m o n t a n t e 等【1 7 】用这种方法对随着搅拌桨和釜底之间距离的减小釜中的流型由“双 环”向“单环 的转变进行了模拟。通过和实验结果的比较证明了c f d 能准确地预测到 流型的转换。 从上面的分析可以看出，内外迭代法比搅拌桨条件法由很大进步，它不再需要实验 数据，实现了搅拌釜流场整体模拟，并取得了一些成功。但这种方法在计算时仍然需要 试差迭代，收敛速度较慢，而且这种方法没有被商业软件采用，在一定程度上限制了该 方法的普及应用。 ( 3 ) 多重参照系法( m r f ) l u o 提出了一种稳态流体场的计算方法多重参照系法m r f ，该方法的思想与内 外迭代法相同，即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，其它区域用静止参考系，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，不再需要内外迭代过程，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，因而使计算变得更加简单。他们将这 种方法植入s t a r - c d 软件中，计算了直叶涡轮搅拌桨的三维流动场，计算结果与 y i a n n e s k i s 的实验数据吻合较好，说明这种方法是成功的。 l d o n g 等 1 8 1 用这种方法模拟了不带挡板的搅拌釜，并和实验结果做了比较。除靠近 搅拌桨区域外，平均速度的计算值和实验数据一致。湍动能的计算结果和实验结果吻合 的较好，但在靠近搅拌桨的地方，计算值要比测量值大一些。他们将此原因归结为标准 肛s 模型的缺陷所致。 ， h a r v e y 等【l9 】计算了带挡板搅拌槽的层流流动场，他们忽略了桨叶和挡板之间的相对 运动，只计算了一种桨叶挡板相对位置下的流场。切向平均的速度计算结果与时均的 l d v 测量结果一致，证明了计算结果是准确的。他们认为在低雷诺数下，挡板只对其附 近的流场有影响，对时均流场的影响较小。 w b u j a l s k i 等t 2 0 】用这种方法模拟了带有两个涡轮桨的搅拌釜中示踪子的分布情况， 再以此计算了混合时间。通过和实验结果的比较发现，本方法能准确模拟速度域，并且 在示踪子悬浮情况的模拟方面比滑动网格法得到的结果更接近实验数据，所计算得到的 混合时间也是如此。 在同样的计算条件下，m r f 方法的计算量比其他方法要小得多，比滑移网格法的计 算量小约一个数量级，因而更适合于计算量较大的多相流动的计算。该计算方法被 f l u e n t 软件采用。 ( 4 ) 滑动网格法( s g ) 这是一种完全非稳态模拟方法。在这种方法中，搅拌式反应器也是被分成两个部分： 搅拌桨区和桨外区域，但两部分都采用静止坐标系。在搅拌桨区的网格随搅拌桨转动， 而桨外区域的网格保持静止。这两部分网格在一个交界面处有相对滑动。在桨外区域用 标准的质量和动量守恒方程，在搅拌桨区用的是经过修正的守恒方程。在滑动交界面处 用了一种守恒插值法来实现动量和质量的匹配。这种方法也被f l u e n t 软件采用。 l u o 等【2 l 】提出的这种方法，并用这种方法对带有标准涡轮桨的搅拌釜进行了模拟， 6 第一章文献综述 并将模拟结果和实验数据做了比较。模拟结果体现了流动的非稳态本质。 b a k k e r 等 2 2 j 用这种方法计算了斜叶桨在不同雷诺数下产生的流动，特别是在层流 区。计算数据和实验结果有很好的定量吻合，说明了这种方法可以成功的应用到层流的 模拟。 k n g e 2 3 j 用这种方法对搅拌釜式生物反应器中湍动能耗散率进行了计算，并将计算 结果和m i c h e l t e 所测量的数据进行了比较，计算值在搅拌桨流域区比测量值高，而在其 它地方均差不多。 m i c a l e 等1 2 4 用这种方法对两个标准涡轮桨在三种不同位置时所产生的流型进行了 模拟，并和搅拌桨边界条件法及内外迭代法的模拟结果进行了比较。 j a w o r s k i 等1 2 5 】用这种方法对搅拌釜内的宏观混合情况进行了模拟。周国忠等【2 6 1 用三 种不同密度的网格对近桨区的流动场进行了模拟，并和实验结果进行了比较。他们发现， 网格密度对宏观流动场的预测有显著影响，尤其在流动场的细节方面。计算结果对尾涡 大小的预测比较准确。网格密度对径向速度分布的影响主要体现在对最大径向速度的预 测上。即使采用很高密度的网格，对湍动能的预测仍然严重偏低。未作君【2 7 】用这种方法 对带有标准涡轮桨和4 5 度斜叶桨的两种不同的搅拌釜的流动场，剪切场，混合时间以及 溶氧情况进行了模拟，取得了很好的结果。 滑移网格法最大的不足在于计算时需要大量的c p u 时间以及复杂的后处理过程。文 献中报道的算例多是在大型机或中型机上进行计算的。随着计算设备的不断提高，m r f 方法和s g 方法的应用越来越广泛。 ( 5 ) “快速照相”法 这种方法将搅拌桨看作一个静止的固体，固定在相对于挡板的一定位置。通过在控 制方程中，在桨叶前面添加质量和其它变量的生成项，桨叶后面添加质量和其它变量的 消耗项，来模拟搅拌桨的转动。好像是对某一固定位置的搅拌桨做了一次“快速照相 。 这是一种准稳态模拟方法，根据搅拌桨区域流动的周期性本质将控制方程中随时间变化 的项用一个空间梯度项来代替。 r a n a d e 等【2 驯在1 9 9 6 年首先提出这种方法，他们模拟了带有4 5 度斜叶桨的搅拌釜，并 和实验数据做了比较，取得了比较满意的结果。他们【2 9 】在1 9 9 7 年进一步发展了这种方法， 使其能够模拟不同形状的搅拌桨。他们还对带有标准涡轮桨的搅拌釜进行了模拟，并和 实验数据作了比较。这种方法很好的预测了湍流水平，排出流量准数的计算结果和实验 数据吻合的很好。对低雷诺数流动来说，功率准数的计算值和实验数据吻合的很好，而 对高雷诺数流动来说，功率准数的计算值偏低。计算发现大约有2 2 的能量耗散在搅拌 桨区，和实验结果相符。湍动能的计算值偏高，但是比较结果还是比较令人满意的。他 们p o j 又在1 9 9 9 年对这种方法进行了改进，对搅拌釜中的气一液流动进行了模拟。模拟结 果发现，这种方法能正确的模拟釜主体区的流动性质，但对搅拌桨附近的流动的模拟结 果不太令人满意。这种方法也没有被商业软件所采用。 7 江南大学硕+ 学位论文 1 4c f d 在搅拌釜式反应器中应用的最新进展 随着计算机计算能力的不断提高，以及在湍流模型和计算方法等方面的不断完善， 尤其是大型商用c f d 软件的同趋成熟，c f d 方法用于研究搅拌釜内的流动显示出强大的 生命力，越来越多的研究者开始关注并涉足c f d 领域。近年来，在研究搅拌釜式生物反 应器内的流动方面，c f d 应用的最新进展主要体现在以下几方面： ( 1 ) 从结构化网格向非结构化网格的转移 在c f d 研究中，对几何体进行构型与网格划分的前处理过程是很重要的。前处理过 程耗费的时间一般比较长，对于工业的c f d 项目，有超过5 0 的时间是花在这个过程上 的。同时，前处理过程划分的网格还直接影响到以后的解算过程，质量好的网格容易收 敛，而质量差的网格就容易发散。 随着c f d 研究的不断深入，需要解决的问题不再限于简单的几何构型，需要对各种 复杂的结构进行研究。然而要对复杂的几何构型进行结构化网格划分是非常困难的，有 时甚至是不可能的。鉴于此，可以采用简化构型的方法使其可以适应结构化网格，这显 然不是令人满意的方法。结构化的网格将包括四边形网格( - - 维) 和六面体网格( - - 维) 单 元，在很大程度上限制了c f d 在实际中的应用。 近年来，人们逐渐重视研究另一类网格一非结构化网格。非结构化网格的基本思 想基于以下假设：四面体是三维空间最简单的形状，任何空间区域都可以被四面体单元 所填满，即任何空间区域都可以被以四面体为单元的网格所划分。由于非结构化网格舍 去了网格节点的结构性限制，易于控制网格单元的大小、形状及网格节点的位置，因此 比结构化网格具有更大的灵活性，对复杂外形的适应能力非常强。此外，对于结构化网 格，在计算域内网格线和平面都应保持连续，并正交于物体边界和相邻的网格线和面： 而非结构网格则无此限制，这就消除了网格生成中的一个主要障碍，此外，网格中一个 点周围的点数和单元数都是不固定的，可以方便的作自适应计算，合理分布网格的疏密， 提高计算精度。正因为如此，非结构化网格技术在2 0 世纪8 0 年代末和9 0 年代初得到了迅 速的发展。但是总体来说非结构化网格的质量相比结构化网格有一定的差距，当求解一 些复杂问题的时候( 比如搅拌加多相问题) ，其结果不如结构化网格理想。 非结构化网格在汽车、航天等领域的应用己经比较广泛，在化工方面尤其是搅拌釜 式反应器方面的应用也日益增多1 3 1 1 。n a u d e 3 2 】利用f l u e n t 软件计算了一种轴流式搅拌 桨的三维流场，计算采用多重参考系法，对三种不同位置的计算结果取平均，并与实验 数据进行了比较。表1 1 列出了宏观参数的计算结果与实验结果的比较。 8 第一章文献综述 表1 1 宏观数值模拟结果与实验结果的比较 t a b 1 - 1c o m p a r a i o nb e t w e e ns i m u l a n tr e s u l ta n de x p e r i m e n t a ld a t a ( 2 ) 直接数值模拟( d n s ) 和大涡模拟( l e s ) 对湍流问题最真实的描述是直接求解流体力学n s 方程，也即直接数值模拟( d n s l 。 但是受到计算机计算能力的限制，现在还只能计算低雷诺数和有简单几何条件的问题， 到解决工程实际问题还有一定距离。目前工业研究中应用最广泛的仍然是求解雷诺时均 方程，附以湍流模型封闭雷诺应力项。在众多湍流模型中，加模型的应用是最广泛的。 肛模型不仅形式简单，而且成功的解决了许多复杂流动问题，因此备受工程研究者喜爱。 但肛s 模型本身的缺陷也使得其计算结果有许多不尽合理之处，比如，对桨叶附近湍流动 能的预报偏低，对尾涡发展的预报不甚准确等，鉴于此，许多研究者开始尝试其它方法 用于搅拌釜内三维流场的研究。其中，大涡模拟( l e s ) 是c f d 应用研究中的一个前沿领 域。 大涡模拟方法最早是由气象学家s m a g o r i l l s k y 【3 3 】提出的，所研究的问题是全球天气 预报问题。后来这种方法被应用于解决工程问题。大涡模拟提供了一种方式，让依靠时 间尺度模拟的大边界计算问题可以利用一系列的过滤方程。对于解确切的n s 方程，过 滤是一种必要的方法，用于改变比过滤法尺度小的边界，通常用于网格大小和雷诺平均一 样，过滤法加入了未知的变量，必须模拟出来以便方程能够封闭。 e g g e l s l 3 4 首先将大涡模拟引入搅拌釜。r e v e t e d t 3 5 】利用大涡模拟研究了涡轮搅拌桨 流动场。利用滤波函数x c n s 方程进行滤波，用截断误差的方法代替亚格子模型封闭亚 格子雷诺应力。搅拌桨叶运动所产生的效应应用依时的动量源来表示。计算结果观察到 了叶片所产生的尾涡，但对速度的预报与实验结果有差距，主要是由于桨叶行为的描述 不太准确造成的。 d e r k s e n t 3 6 对雷诺数r e = 2 9 0 0 0 下直叶涡轮搅拌桨进行了大涡模拟。采用l a t t i c e b o l t z m a r m 方法离散n s 方程，搅拌桨叶对流体的影响用一个作用力场来代替。亚格子模 型使用传统的s m a g o r i n s k y 模型，模型常数g = o 1 2 。与r a n s 方法相比，l e s 的优势是： s m a g o r i n s k y 亚格子模型只有一个经验常数g ，然而r a n s 的封闭模型一般需要5 至u 1 0 个 这样的常数：l e s 通过网格尺度给大尺度量和小尺度量一个明显的区分，有助于对尾涡 系统的分辨。计算的速度场与湍流动能与实验结果一致，对尾涡发展的预报也非常准确。 但对桨叶尖处切向速度预报偏高约1 5 ，原因可能是在亚格子模型中忽略了固体壁面， 以及空间精度欠缺造成。对湍动能耗散率的研究表明，能量的耗散是非常不均匀的，桨 叶处高，而主流体处低。在桨叶区、排出流区和主体流区的耗散率分别占总能量耗散的 1 8 ，6 0 和2 2 。 b a k k e r l 3 7 1 利用f l u e n t 提供的大涡模拟方法初步计算了直叶涡轮桨和斜叶涡轮桨 9 江南大学硕士学位论文 的流动场。对于搅拌桨叶的运动采用滑动网格法进行处理。计算结果与m y e r s 的p i v 实验 结果进行了比较，计算结果显示，在不同时刻斜叶祸轮桨的流场呈现不同的状态，有时 是对称的有时是不对称的。这种流型振荡的频率比桨叶旋转的频率要低的多。轴向速度 的脉动频率在桨叶附近非常高，而在液面和槽底区域则要低的多。对直叶涡轮桨流场中 尾涡模拟的预报和实验结果一致。 必须强调的是l e s 应用于工业的流场模拟还处于起步阶段。回顾近期的出版物，典 型的方法已经用于简单的几何形体。这主要是因为解决含有能量的湍流漩涡需要大量的 计算机资源。很多成功的l e s 模型已经用于高度空间的离散化，而且花了很多精力来解 决尺度比惯性附属区域大的方面。在中间流中用l e s 降低精度的方法没有很多的资料。 另外，用l e s 解决平板问题还需要进一步的证实。 ( 3 ) c f d 在多相搅拌釜中的应用 搅拌