（化工过程机械专业论文）基于数值模拟的煤浆混合槽结构优化.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 为了提高煤炭利用率，解决环境污染问题，我国充分重视煤炭直接液化技术 的应用。作为煤炭直接液化技术中煤浆制备单元的关键装备媒浆混合槽的作用 也显得越来越重要。目前，国内外对卧式混合槽内部流动情况的研究不多，本课 题组曾对卧式混合槽进行过研究，但受时间和条件限制，仅研究了一种结构的几 组参数。 本文采用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 ) 方法，个别模型配合物理实验， 对三种煤浆混合槽进行结构优化研究，得到了一系列结论。 首先就课题组曾研究的涡轮式煤浆混合槽结构展开后续研究，更多地改变模 型参数，寻找更合理结构，为工程应用提供技术依据。研究结果表明：在其他参 数不变的情况下，选择倾斜角度为6 0 0 的直涡轮桨，并且将桨叶圆盘定为1 8 8 m m ， 挡板与槽体之间留有2 m m 间隙的混合槽会获得最佳搅拌混合效果。 随后，提出螺旋式煤浆混合槽结构。该混合槽的桨叶整体上倾斜布置，构成 螺旋走向，使得桨叶不仅具有传统的搅拌与混合功能，而且可以引导物料 沿螺旋轨迹运动，同时也给物料一定的反混机会，让搅拌更充分。数值模 拟结果显示，该装置基本能够满足设计要求。 最后，在总结前两种结构的基础上，提出了犁刀式煤浆混合槽结构。 该混合槽用犁刀式桨叶代替涡轮式桨叶，使得桨叶对流体的剪切力更大。 尤其在槽体内部混合物出1 2 管前设置挡板之后，搅拌效果得到明显改善， 并在相应的实验装置上进行试验运行，试验结果验证了数值模拟结果，两 者吻合较好。 关键词：煤浆混合槽，煤液化，计算流体力学( c f d ) ，结构优化，搅 拌桨，混合性能 i i 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t i no r d e rt oi n c r e a s et h ee n e r g yu t i l i z a t i o nr a t i oo fc o a la n ds o l v et h ep r o b l e mo f e n v i r o n m e n tp o l l u t i o n , o u rc o u n t r ya t t a c h e sm u c hi m p o r t a n c et oc o a ld i r e c t l i q u e f a c t i o nt e c h n o l o g y a st h ek e ye q u i p m e n to fc o a ls l u r r yp r e p a r a t i o nu n i tc o a l s l u r r ym i x i n gt a n kp l a y sas i g n i f i c a n tr o l ei nc o a ld i r e c tl i q u e f a c t i o n h o w e v e r , f e w r e s e a r c h e sf o c u s e do nh o r i z o n t a lm i x i n gt a n kb o t hd o m e s t i c a l l ya n da b r o a da tp r e s e n t o u rr e s e a r c ht e a mh a dr e s e a r c h e dh o r i z o n t a lm i x i n gt a n k , b u to n l ys e v e r a lg r o u p so f p a r a m e t e r si nas t r u c t u r ew e r ec o n c e r n e dd u e t ot h el i m i t a t i o no f t i m ea n dc o n d i t i o n s o p t i m i z a t i o no ft h r e ec o a ls l u r r ym i x i n gt a n k su s i n gc o m p u t a t i o n a lf l u i d d y n a m i c s ( c f d ) m e t h o da n dp h y s i c a le x p e r i m e n tw a ss t u d i e di nt h i sp a p e r , s o m e c o n c l u s i o n sw e r eo b t a i n e d t h ef u r t h e rr e s e a r c h e sw e r ei n i t i a l l yd o n ei nt u r b i n ec o a lm i x i n gt a n kw i mv a r i o u s m o d e lp a r a m e t e r st of i n dm o r es u i t a b l es t r u c t u r e sf o re n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n i tw a s f o u n dt h a tt h eb e s tm i x i n gr e s u l tw a sa c h i e v e du s i n g6 0 0i n c l i n a t i o ns t r a i g h tt u r b i n e o a r 、航n l18 8 m md i s cd i a m e t e ra n d2 m mi n t e r v a lb e t w e e nb a f f l ea n dt a n kb o d y , w h i l e o t h e rp a r a m e t e r sw e r ec o n s t a n t s p i r a lc o a ls l u r r ym i x i n gt a n kw a sa l s oe v a l u a t e d 。i nt h i st a n ko a r sw e r es l o p i n g a r r a n g e df o r m i n gs p i r a lt r e n d ，w h i c hn o to n l yh a st h et r a d i t i o n a la g i t a t i n ga n dm i x i n g f u n c t i o n , b u ta l s ol e a d st h em a t e r i a lf l o wa l o n gs p i 翻o r b i t a tt h es a m et i m e ， b a c k - m i x i n ge n h a n c e dt h em i ) 【i n gm o r ep l e n i t u d e n u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t s s h o w e dt h a tt h i se q u i p m e n tb a s i c a l l ym e e t sd e s i g nd e m a n d s b a s e do np r e c e d i n gs t r u c t u r e s ，e o l t e rc o a ls l u r r ym i x i n gt a n kw a sf i n a l l yr a i s e d ， i n s t e a do fu s i n gt u r b i n eo a r t l l i st a n ku s e dc o l t e ro a rt oa c h i e v eh i g h e rs h e a r i n gf o r c e e s p e c i a l l y ，a g i t a t i n ge f f e c tw a so b v i o u s l yi m p r o v e da f t e rs e t t i n gab a f f l eb e f o r e m i x t u r eo u t l e t n ep h y s i c a le x p e r i m e n tw a sc a r r i e do u ta n dv a l i d a t e dt h en u m e r i c a l s i m u l a t i o nr e s u l t s k e y w o r d s ：c o a ls l u r r ym i x i n gt a n k ，c o a ll i q u e f a c t i o n ，c o m p u t a t i o n a lf l u i d d y n a m i c s ( c f d ) ，s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n , a g i t a t i n go a r , m i x i n gc h a r a c t e r i s t i c s i i i 浙江大学硕士学位论文 浙江大学研究生学位论文独创性声明 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。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，也不包含为获得浙江太堂或其他教育机构的学位或 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。 学位论文作者签名：王谨 签字日期：2 。f o 年弓月，1 日 学位论文作者签名：土馒 签字日期：2 0 f o 年弓月，1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解迸江太堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权浙江太堂 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和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 学位论文作者签名：王谨导师签名 签字日期：弘i o 年弓月i1 日 签字日期：夕矿 浙江大学硕士学位论文 致谢 两年半的硕士生涯中，导师陈志平教授给予了我最悉心的指导和教诲，本论 文更是倾注了他大量的心血。他严谨治学的精神，诲人不倦的态度，精益求精的 作风，不仅在学术方面对我产生颇深的影响，也影响着我对未来、对理想的定位 和追逐的脚步。生活中，陈老师更是给予了我亲人般的关怀，让身在异乡的我倍 感温暖。十分感谢陈老师一直以来对我的关心和教诲! 由衷的感谢蒋家羚教授和林兴华教授，他们渊博的专业知识，深厚的文化积 淀，为课题的深入研究提供了重要帮助；特别感谢上海化工研究院的章序文研究 员，何建铧和兰建华工程师，他们在混合槽模型试验阶段提供了关键支持! 衷心的感谢实验室余雏麟、方舟、曾明、石丽娜、王雷、孙博、晏顺娟、颜 缪钏、马跃、曹国伟、杨立才等同学的关心和支持，他1 1 总会在我最需要的时候 出现，在学 - - j 和生活中给予我最贴心的帮助! 感谢我的父母，他们对我的爱是那么的无悔与厚重，不需言语，我也可以感 受，非常感谢他们对我成长的努力! 最后，向审阅本论文以及参加论文答辩的专家们致以崇高的敬意! 王瑾 二零一零年一月 于求是园 浙江大学硕士学位论文绪论 1 1 煤炭液化的技术进展 1 绪论 随着科技水平的不断进步，煤炭液化技术已经从战略的高度进入商业 化的水平长久以来，世界很多国家都十分重视这方面的研究工作，并且 取得了诸多进展。 煤炭液化技术是将煤炭通过一定的化学和物理手段转化成液体燃料或 其他化工产品的洁净煤处理技术，可以分为煤直接液化技术和煤间接液化 技术【1 】。前者是在高温高压下，将固态煤与气态氢反应，转化为液体油的工 艺工程。该过程是将一部分煤炭磨成煤粉，再与另一部分煤炭液化产生的 溶剂油配成煤浆，在高温( 4 5 0 。c ) 和高压( 2 0 一3 0 m p a ) 下加氢，将煤炭转化 为柴油、汽油等石油产品。一般来讲，i t 无水无灰煤可生产5 0 0 6 0 0 k g 溶剂油， 再加上制氢用煤和主体煤粉的消耗，约3 哦原煤可生产1 t 成品油。后者是在煤 气化成氢气和一氧化碳之后，再在催化剂的作用下合成燃料油以及化工产品，生 产1 t 成品油约需要5 7 t 煤。煤炭直接液化具有较高的热效率，液体产品的收率 也较高，但是对煤炭种类的要求比较苛刻；煤炭间接液化对煤种的适应性较宽， 但是由于煤气化制备合成气的过程效率较低，造成整体的能耗较大，因此煤炭直 接液化仍然是煤炭液化过程的首选工艺。 本文主要研究煤炭直接液化工艺中，煤浆制备单元的主体设备煤浆混合槽， 它在整个煤炭液化过程中发挥着举足轻重的地位，直接决定着后续工序能否顺 利、高效的进行。如图1 1 所示。 图1 1 煤炭直接液化工艺流程图 浙江 学硕学位论文 1 2 固液混合槽的结构进展 为了满足生产宴际中不断提高的搅拌混合要求，混台槽的结构设计也在不断 变化，向着更高效更便捷的方向发展。 首先出现的混合槽是立式结构的 盘式螺旋式、叶轮式等四种类型嘲 如图1 2 所示。搅拌浆叶主要包括棒式 如图1 3 所示。 ( 曲立式单层混合槽 田l 2 常用立武j 琵台槽 b ) 立式窥层混合槽 鋈霪翡凸 ( a ) 棒式( b ) 盘式( 0 螺旋式( d ) 叶轮式 田l j 搅拌器主要类型 然而，在固液搅拌混合槽中，固体一般是粉末状供给的，粉末的空隙中充满 着气体，要对粉末进行真空脱气处理是不可能的，如果气体是不需要的，那它的 存在严重影响了液体和粉末固体的良好接触，如果气体是需要的，气体本身的上 殍作用，导致三者很难均匀混合。鉴于以上原因，搅拌效率更高，更利于完成固 斯江大学碰士学位论文 液搅拌混合的卧式混合槽开始出现卧式混合槽是利用卧式圆筒状槽体内部固定 在水平轴上的搅拌桨进行固痕搅拌混合的装置。在卧式混合槽内，搅拌桨叶的旋 转是垂直于气液固界面的，槽内液体被分散成细滴状，部分气体呈泡沫状被卷入 液体中，太大增加了气液固界面面积和更新速度，增强了各相之间的传质，而且 卧式混合槽对固液量的确定也更灵活，对操作条件的限制更少”。首先出现的 是日本的固瘦混合槽，如图1 4 所示。该装置豫补了立式搅拌混合槽的劣势，但 也有其自身的局限性。当搅拌轴的转速增加时，回转轴密封处的液体介质会发生 较严重的泄漏，同时也没有完全的解决立式固液混合槽中粉状固体供给困难的问 题。 驰圆# h “ 田1 4 改进前曲固j 直混合槽 针对上述不足，对卧式混合槽进行了改进，如图1 5 所示。粉丰固体进料不 再采用原始的投料法，而是使用螺旋送料器。同时，在混合槽的前半部分设置液 体进料i ：，后半部分设置排气口。该装置不仅可以实现气液固三相连续搅拌混合 的目的，而且它的混合效果较好，解央了液体泄漏问题，运转操作较简单。 呻_ 盐曩 。噩一 函j 一，_一i簪簿瓣魁一 新大学硕学位论文 图1 5 改进后的固藏渑台槽 1 3 混合槽内多相流动的理论基础和实验研究 1 3 1 气液搅拌混合的理论及实验现状 气液搅拌的目的是通过搅拌造成良好的气液接触，以形成气泡在液相中均 匀分散，然后通过形成的气液界面进行传质，或者是气液相发生化学反应等。 早期理论认为，搅拌桨直接将气体剪切成细小的气泡而实现气一液分散。现在的 理论认为，气穴才是气一藏搅拌混合的关键气泡首先在桨叶背面形成高速旋转 的漩涡，漩涡内具有较高负压，当叶片下部有气体经过时，立刻被卷入漩涡，形 成气穴，气穴越来越大，超出其承限之后在尾部破裂，形成富舍小气泡的分散区， 这些气泡在搅拌桨叶产生的离心力作用下被甩离桨叶，并且随着流体的运动在混 合槽内部分散根据搅拌条件的不同，气穴分为大气穴，贴附气穴和涡流气穴三 种【“】。 近几十年来，气液两相搅拌的研究发展迅速，所用的搅拌桨类型已经从传统 的六直r u s h t o n 涡轮发展到处理气体能力更大、相对搅拌功率更高的搅拌桨型， 比如c h e m i n e e r 公司的c d 一6 凹叶桨、m a x f l o 宽叶翼形桨，l i g l l m i n 公司的a 3 4 0 宽叶翼形桨等睁1 2 1 。同时，也越来越重视对搅拌桨的组合应用，从开始的单层和 浙江大学硕士学位论文 绪论 双层搅拌桨，到三层或者三层以上搅拌桨，再到多层不同形式组合桨。郝志刚【1 3 】 研究了六叶半椭圆管叶盘式涡轮及四叶宽叶翼型桨的上提及下压操作组合的六 种不同的三层桨，在气液两相体系中的分散特性，发现通气后的相对功率需求 与上两层桨在混合槽内形成的整体流型关系密切，在气液分散好坏的问题上， 上几层桨只起到辅助作用，底层桨起决定作用。 1 3 2 固液搅拌混合的理论及实验现状 固液体系的表现形式要比气液体系复杂得多，其搅拌目的是实现完全离底 悬浮或者均匀悬浮1 4 1 。 ( 1 ) 完全离底悬浮 完全离底悬浮，即固体粒子完全离釜底悬浮起来，以达到降低固体周围扩散 阻力，实现固液两相之间接触和传质的目的。 z w i e t e r i n g 1 5 1 于1 9 5 8 年首先采用目测法测量了固体颗粒完全离底悬浮状态 的临界搅拌转速，给出了临界转速关联式。该关联式对物料的完全离底悬浮临界 转速的估算与实际测量之间的误差小于7 ，对如今的固液悬浮研究仍具有重要 意义。他还同时提出涡流湍流模型，认为固体悬浮是由湍动漩涡控制的，一定尺 度小涡旋的扰动引起釜底沉积颗粒悬浮。假定与颗粒尺寸同一数量级的小涡旋作 用于固体颗粒，并将能量传递给固体颗粒，当涡旋的作用力克服了固体颗粒所受 重力与浮力之差时，此时颗粒将被举起，也就是颗粒悬浮。之后，b u u r m a n 1 6 】 对涡流湍流模型进行了深一步的研究，得到了该模型下离底悬浮转速的表达式 ( 1 1 ) 。 n j s = a d 三6 _ ( g 萨a p 广p 一) o , ( 1 1 ) 同时，w i c h t e d e 等人所持的另一种理论则认为，是釜底附近的主体流动导 致颗粒悬浮，当流体向上运动的速度与颗粒沉降的速度相平衡时实现釜底附近颗 粒悬浮。s h a m l o u 对该理论进行了深化，认为混合槽内的固液混合是其底部的 颗粒经历由静止到滑动再到悬浮的一个渐进过程来实现的，并且也给出了临界悬 浮转速表达式( 1 - 2 ) 。 浙江大学硕士学位论文 绪论 = 彳丝一 2 ， 式中，d 。颗粒尺寸，, u m ；g 重力加速度，m j 一2 ；d 搅拌桨直径，m ； 托豇完全离底悬浮临界转速，m i n q ；t 混合槽直径，m ； p 固液相密度差，k g 嬲_ 3 ；p 液相密度，k g m - 3 ；n p 功率准数； 。= p , o n 3 d 5 ；吮平均固相体积分数。 ( 2 ) 均匀悬浮 均匀悬浮认为只要釜内循环流速达到一定值，使粒子沉降速度与流体上升速 度相等，就能使固液两相达到均匀悬浮状态c h u d a c e k 1 8 1 分别提出了能量平衡 模型和速度平衡模型，分析了两种模型的利弊，并给出了它们的适用范围。然而， 对于大多数悬浮体系，粒子在釜内是不可能达到真正均一分布的。因而，需要测 量釜内不同位置的固体含量，按式( 1 3 ) 得到浓度方差，以此来衡量悬浮均匀 度。 办去车c 薏卅2 3 ， 1 9 8 8 年g e i s l e r t l 9 】首先用螺旋状桨叶，在有挡板的混合槽内对固液混合 混合槽进行实验研究，实验通过测定槽内固液两相分别作为单独流体时的 速度与液固悬浮液速度之间的关系，发现了固体颗粒对整体流动的显著影 响。c a r p s t e i n 2 0 】综合比较了各种叶轮在固液混合中的不同功效，同时也更 进一步阐述了固液混合时的状态；b a g n o l d 2 u 通过增加固相颗粒在整个两相 中的浓度比重，试图获得颗粒浓度与湍流强度之间的关系。他发现，随着 颗粒浓度的不断升高，湍流运动的不规则现象向规则方向演变，当颗粒浓 度达到3 5 时，固相颗粒以层流形式向前推进；侯栓弟1 2 2 通过激光方法测 量了混合槽内液固两相的流动数据，发现由于固体颗粒的重力作用，叶轮 区内两相流动体系的轴向运动速度较大，另一方面在上流区域，固体颗粒 阻碍了流体的上升流动。黄雄斌【2 3 1 通过在两个几何相似的混合槽内进行固 液搅拌实验，得到固体浓度变化以及混合槽放大对液相速度分布影响的相 6 浙江大学硕士学位论文绪论 关数据，从而计算出了不同直径槽内悬浮液中叶轮的流量准数。发现随着 混合槽直径的增大，固体粒子对流场的影响也增大；同时认为，叶轮下方 的粒子对流体的流动起到正面作用，槽底和槽壁附近的粒子会减慢流体的 流动。s h i n i c h i t 2 4 】研究了叶轮的尺寸和位置对固液两相表面质量传递的影 响，发现使用斜式涡轮浆并且叶轮直径与混合槽直径比为o 5 时，最利于搅 拌混合另一方面，搅拌时，固液两相占据8 5 的槽体容积式，同样利于 获得较好的搅拌效果。t e z u r a 2 5 】研究了不带挡板的液固混合槽，该混合槽 使用具有六片平直叶片的涡轮搅拌浆，通过控制的搅拌桨转速和转动方向 获得所需的实验数据。之后与具有挡板，叶片单向旋转的混合槽进行比较 得知，前者可以在更少的限制条件下，获得更好的搅拌效果。 1 3 3 气液固搅拌混合的理论及实验现状 从一定意义上讲，气液固三相的搅拌混合可以看成气液、固液的叠加， 但是由于三维空间中流体的不稳定性，以及多相湍流的可变性，气液固三相混 合的复杂性要远大于单纯的气液或固液混合。在三相模拟中，一个重要的参数 是颗粒在混合物中悬浮的整体情形，大体上可以分为三种悬浮状态，即完全悬浮、 均匀悬浮和不完全悬浮，如果没有颗粒在槽底的停留时间超过1 2 s ，就认为是完 全悬浮。固体和气体在液体中悬浮的叶轮临界转速是衡量混合槽动力学特性的主 要参数，而临界转速主要由颗粒沉降速度、叶轮样式和进料口的位置决定。 对悬浮状态影响因素的研究多集中于叶轮样式上，c h a p m a l l 【2 6 】发现直叶圆盘 涡轮桨和上推式斜叶涡轮桨优于下压式斜叶开式涡轮和推进桨，主要表现为前两 者不会使粒子产生突然沉降现象；b u j a l s k i l 2 7 】的研究表明，对于不同搅拌桨叶来 讲，颗粒的悬浮难度和分散方式是不同。其中，直叶圆盘涡轮桨和上推式斜叶涡 轮桨，最难悬浮的粒子来自于釜底中心附近的环形带；下压式斜叶开式涡轮，釜 底壁角上的粒子最难悬浮【2 8 1 。同时，由于气量高低对应的气升作用是不同的， 因而不同操作工艺条件对应的最优结构变量也是不同的，一般来讲，低气量时下 压式涡轮表现更优，高气量时宜选择上推式涡轮。d o h i a l 2 9 研究了立式混合槽中 大尺寸搅拌桨和多层搅拌桨搅拌效率的不同，发现对于固体悬浮来讲，前者的作 用更明显，并且提出了气液固三相体系中能量消耗与搅拌桨叶尺寸之间的关系。 7 浙江大学硕士学位论文绪论 y l l y u n 【3 0 】综合研究了多种类型的搅拌桨叶发现，固体在气液固中的相对含量是影 响功率需量的最重要因素。另外，在相同的功率输入和废气排除率下，液体沸腾 时相对空隙组分要比常温系统低。p a n t u l a 3 1 】研究了全挡板混合槽内不同类型 的搅拌桨对气液固流动的影响，得到了气体的散布范围、固体离底悬浮范 围、均匀悬浮范围。然而这些范围之间的关系是通过观察操作点得到的， 而没有给出一个清晰的物理模型系统。从物理学的角度来看，固体粒子在 混合槽内的悬浮完全决定于槽内流体的力学和湍动特性，c h a p m a n ，a u b i n 和g u h a 分别对此进行了研究【3 2 羽】。 1 4 混合槽内多相流动的数值模拟 实验验证是最传统、最经典的获得性能数据的方法，但由于种种条件 的约束，实验方法的推广应用受到限制。随着计算机技术的发展，计算流 体力学即c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简称c f d 方法应运而生。它是建 立在经典流体动力学与数值计算方法基础之上的一门新型独立学科，通过计算机 数值计算和图像显示的方法，在时间和空间上定量描述流场的数值解，从而达到 对物理问题研究的目的【3 5 1 。c f d 软件自上世纪七十年代诞生至今已有5 0 个年头， 出现了如s t a r ，c d 、p h o e n i c s 、f i d i p 、f l u e n t 等多个商用c f d 软件。 f l u e n t 是目前国际上比较流行的商用c f d 软件包，是由美国f l u e n t 公 司于1 9 8 3 年推出的继p h o e n i c s 之后的第二个投放市场的基于有限体积法的软 件，在美国的市场占有率为6 0 ，在我国亦得到广泛的应用，它具有丰富的 物理模型、先进的数值方法和强大的前后处理功能。 研究搅拌混合槽的内部流动情况对了解混合槽的整体性能具有重要意义。传 统的理论分析往往需要对计算对象进行抽象和简化，对于非线性情况，更 是很少能给出解析结果；经典的实验方法和建立在传统方法中的放大准则，如 桨叶雷诺数、单位体积功等，都仅仅关注流场的整体状况，对于流场内部的局部 流体流动情况却未给出相关数据。由于缺乏内部局部流动的详细信息，给搅拌混 合槽的结构设计与改进带来了一定的难度。c f d 技术可以进行微观特性观察，这 样就能更准确地了解搅拌混合槽的内部流动情况，从而更好的优化混合槽的结 构另一方面，应用c f d 技术带来的便捷和高效也是传统的技术无法比拟的。 8 浙江大学硕士学位论文 绪论 1 4 1 数值模拟中的建模方法 将数值模拟技术应用于搅拌混合槽，首先需要解决的问题就是建模问题。将 静止的混合槽，运动的搅拌桨叶，以及槽体内随时间和空间不断变化的流体，通 过一个合适的模型构建在c f d 软件中，为模拟计算提供先决条件。在c f d 技术的 发展历史上曾出现多种建模方法，如最初的“黑箱模型法”，“动量源法” 3 6 - 3 引，之 后的“内外迭代法” 3 6 , 3 9 , 4 0 ，和现在的“多重参考系法”1 4 1 1 和“滑移网格”【4 1 删，均对 搅拌混合技术发展产生过重要影响。 ( 1 ) 黑箱模型法黑箱模型法是最先出现的混合槽建模方法，于1 9 8 2 年首 先i 圭i h a r v e y 提出。该方法的建模思想是将桨叶区域从计算域中扣除掉，桨叶对流 体的作用以边界条件的形式给出，包括了速度参数和湍流参数。该方法采用了稳 态算法，不需要划分桨叶部分的网格，工作量小，计算简单，易于得到结果。然 而，该方法也存在很大的局限性，主要在于边界条件需要通过实验测定得到，而 且实验得到的边界数据不是对任何模型都是适用的，仅适用于与实测模型几何相 似的槽体。因而，黑箱模型法就不能作为独立的模拟方法存在，必须有实验来配 合。 ( 2 ) 动量源法为了有效解决边界条件给c f d 应用于搅拌模拟槽带来的限 制，p e r i c l e o u s 在1 9 8 7 年提出了一种新的模型动量源模型法。该模型认为桨 叶对流体的作用是流体动量产生的原因，同时把桨叶的作用简化成切向的动力 源。这样一来搅拌混合模拟就摆脱了需要由实验方法测定边界条件的的限制，为 其长足发展提供基础。 ( 3 ) 内外迭代法内外迭代法的关键点在于它把整个流体域分成了内流域 和外流域两部分进行考虑。其中内流域指的是旋转的搅拌浆，外流域包括静止的 挡板等部件。计算首先由内流域开始，搅拌桨旋转得到内流域边界上的速度、湍 动能等数据，参考“黑箱”理论的方法，把该边界条件应用于外流域，之后对外流 域进行计算，当外流域计算完成之后，同样会得到速度、湍动能等边界条件，再 把外流域的边界条件应用于内流域，如此往复迭代，最终就可以得到整个流域的 收敛结果。该方法与动量源法一样，都不需要实验提供边界条件的数据，同时也 不像动量源法那样将桨叶简化，提高了模拟的准确性，然而，该方法没有合适的 商业软件来支撑，这为其推广应用带来了一定的难度。 9 浙江大学硕士学位论文绪论 ( 4 ) 多重参考系法( m r s 3 多重参考系法可以说是内外迭代法的延伸扩展， 它d j l u o 在1 9 9 4 年首先提出。该方法同样采用内外两个参考系进行计算，不同的 是这两个参考系对应的流域不再重叠，减掉了内外流域进行迭代的过程，而且内 外流域之间速度、湍动能等的关联是通过坐标系的转化实现的，这样就大大减少 了迭代过程的工作量。多重参考系法第一次实现了对流域的整体数值模拟，而且 该方法属于稳态算法，近几年得到了广泛的应用。 ( 5 ) 滑移网格法由于搅拌混合的不稳定性，多重参考系法并不能精确的 反应该流场的特性，非稳态计算方法的典型滑移网格法也就应运而生。该方法同 样把流域划分为旋转桨叶和固定挡板两部分，不同点在于采用滑移网格时，两区 域交界面处有网格之间的相对滑动，一定程度上提高了计算的准确性但基于现 今的计算机软硬件水平，滑移网格法所需要的c p u 时间显得过长，一般只有当研 究桨叶、挡板相互作用，以及启动过程等瞬态过程时才会应用，对于整体模拟一 般仅大型计算机或者中型计算机能够完成。 1 4 2 气液两相数值模拟现状 气液两相流的c f d 模拟主要采用混合模型、双流体模型和群体平衡模型 ( p b m ：p o p u l a t i o nb a l a n c em o d e ) 。混合模型认为气液两相混合的目的是形成一 种新的物质来代替原来的两相物质充满整个流场。这一模型能够反映分散相和连 续相之间的相互影响，但由于做了相间动力平衡的假定也就是无滑移假定，认为 只有连续相存在动量方程和能量方程，两相之间的联系仅仅是通过连续性方程进 行的。该模型进行的一系列理想假设，使其应用起来比较简单，但忽略了许多两 相流自身具有的流动特点。双流体模型则认为无论分散相还是连续相都具有连续 方程、动量方程、能量方程及湍流方程，两者之间具有对等的性质，可以进行相 互渗透，该模型对分散相和连续相都进行了较全面的考虑，较混合模型能够得出 更准确的混合结果，将其与各种湍流模型结合使用，具有宽阔的前景p b m 理 论首先由h u l b u r thm 【4 5 】提出，它强调气泡的破碎作用对气泡大小分布的影响， 并将其应用于化工过程中 s p a l d i n g 【4 6 】第一次提出了双流体模型的数值解，为双流体模型的广泛应用提 供了基础。之后g o s m a n 【4 7 】采用双流体模型和黑箱模型，对混合槽中的气液两相 1 0 浙江大学硕士学位论文绪论 三维湍流流动进行了模拟，但由于其在模拟中使用的边界条件需要实验测定，而 实际中搅拌桨附近的流动特性难以测量，因此其应用受到一定限制。之后 b a k k e r 4 8 1 应用连续性方程计算气体分布，并采用对局部值如摩擦力、气泡尺寸、 质量传递的积分计算得到总体值的方法，得出模拟结果，与实验值的误差小于 2 0 ；m a r t i e z b a z a n 4 9 踟1 将气液混合效果的关键定义为气泡的表面张力与湍流剪 切力的大小对比关系，如果超过气泡破裂的临界尺寸，气泡就是破裂成更小的气 泡；孙海燕【5 1 1 采用改进的“内外迭代法”，综合运用各向异性的湍流动能k 方程、 能量耗散率方程和不依赖实验数据的各向异性显式代数应力模型，模拟了 r u s h t o n 桨混合槽内有挡板情况的两相流，模拟结果较好的反应了各个区域气含 率的变化趋势，在液面处- 9 实验结果吻合较好，在搅拌桨下部吻合较差。j o a n n i s 5 2 1 强调了在气液混合中，质量传递的重要性，综合分析了不同种类，不同层数的搅 拌桨，对于不同的混合介质应该采用不同种类的模型方程。j a h o d a 5 3 】采用4 m m 有 效粒径假设和k 湍流模型，模拟了带挡板的斜桨混合槽，模拟结果和实验结果 很好吻合。高忠信【跏以双流体模型的基本理论为基础，建立了基于贴体坐标和 有限体积法的气液两相湍流全三维计算模型，连续相( 水) 采用了考虑分散相( 气泡) 分布影响的k 一占两方程的湍流模型，分散相采用代数湍流模型，对有实测数据 的1 8 0 度圆形弯管内部气液两相流动进行了模拟。泡体积率分布的计算结果与实 测结果吻合良好。 1 4 3 固液两相数值模拟现状 采用数值计算的方法获得固液搅拌混合槽内部流动数据的方法始于1 9 7 7 年，由a n i l t 5 5 】首先提出。他首先总结分析了单相流体的在混合槽中的流动模型， 并利用随机变量的方法对固液体系中粒子的运动做了分析，认为主要存在两种运 动方式：各粒子的随机运动和粒子跟随流体的运动，以此为依据建立数值模型进 行计算，但是他没有详细提供模型的细节。 b a k k e r 5 6 】在1 9 9 4 年模拟了固液两相混合时浓度的分布情况，认为在整个混 合槽体内，固体颗粒的自由沉降速度决定了它对于液相的滑移速度。对模拟结果 进行分析，认为搅拌混合槽体内部流体的流动形态是影响固液浓度分布的重要因 素，并且清晰的指出，要想混合固液混合的最佳效果应该把注意力集中于混合槽 浙江大学硕士学位论文绪论 内的流动状态，而不是离底悬浮速度；b r u c a t oe t a l 5 7 , 5 5 1 等用拉格朗日方法，选用 多相流模型对标准混合槽内固体颗粒在液体中的分布进行了研究，并与实验结果 对比，吻合较好；d e c k e r t 5 9 】同样采用拉格朗日方法研究固体沉降速度模型和固 体颗粒在液体中的分布规律，研究中没有考虑颗粒之间的相互作用和湍流的存 在，模拟结果与实验结果吻合不是特别好；r o i m d 【6 0 】于1 9 9 7 年用计算流体力学 方法研究了固液混合中两相体系相互作用对搅拌设备的冲击磨损，模拟得到的搅 拌叶轮磨损位置和程度与实验所得的数据吻合较好；2 0 0 2 年徐姚、张政等【6 l 】也 对固液混合对搅拌设备的磨损进行了研究，这次主要集中于旋转圆盘。得到了颗 粒的运动状态、运动轨迹、这个流场的速度分布等一系列数据，与实验对比验证， 吻合较好。2 0 0 7 年，程香【l 】研究了带有三层搅拌桨叶的卧式煤浆混合槽，首先对 设计工况下内部流动过程进行了数值模拟，得到了较充分的内部流场流动状况； 继而，将模拟数据与实验结果进行对比，吻合良好；在此基础上，改进混合槽的 结构参数，进行多次模拟，获得了各部件单元的最优参数结果。 1 4 4 气液固三相数值模拟现状 m u r t h y t 6 2 1 采用极限逼近的方法，分别模拟了气液和固液搅拌混合的状 况，以此来预测气液固搅拌混合的状态，并且将预测数据与之前的实验数 据进行对比，吻合良好；r a n g a n a t h a n 6 3 1 运用多相流、标准是一占模型，采用 欧拉接近法研究了不同操作工艺条件对叶轮临界转速的影响，模拟了临界 转速状态和固体悬浮分布情况。 1 5 课题意义及研究内容 对于搅拌混合槽来说，了解混合槽内部流体的流动情况和混合状态信 息，对于改进搅拌混合槽的结构设计，提高整个混合过程中的效率，具有 十分重要的意义。由于实验的局限性，不能使搅拌混合槽内部的具体流体 流动过程可视化，因此，一般采用c f d 方法对实验过程进行数值模拟，将 实际实验很难看到的过程可视化，给下一步的研究带来方便。 迄今为止，对于高速连续分散介质混合器的具体工作机理尚无定论【6 4 1 ， 浙江大学硕士学位论文绪论 英国流体力学研究机构( b h r g ) 和美国马里兰大学研究机构的高剪切混合 研究组对不同类型的混合器分别做了一系列实验研究，但由于涉及到各公 司对专利技术的保密性，只有马里兰大学的c a l a b r e s e 教授发表过几篇相关 实验研究以及二维c f d 数值模拟计算的文章【6 4 6 5 1 ，而对于高速连续分散混 合器的三维流场流动状况的数值模拟却较少有文献发表和记载，北京化工 大学的张红梅曾发表过这方面相关的一篇文章【6 6 1 。 近几年来，随着流体力学技术的迅猛发展和c f d 软件的日趋成熟，国 内外就混合槽内流体的流动状态的数值模拟进行了众多的研究工作，并且 取得的模拟结果与实验结果吻合良好【6 7 巧引。然而，这些研究多数是针对具 有单层搅拌桨的立式搅拌器，进行的也主要是液液混合或者气液混合，对 于卧式固液搅拌混合槽的研究较少，更少涉及多层搅拌桨。课题组的程香 【1 】曾就煤制油项目所需的煤浆捏合槽进行研究，给出了相应的实验结果和模 拟结论。 本文在浙江省科技计划项目( 2 0 0 8 c 2 1 0 2 1 ) 和上海市重大技术装备研制专项 ( 0 7 0 4 0 1 ) 的资助下，总结课题组之前研究成果，开展了以下研究工作： 第2 章总结了计算流体力学的控制方程组、求解模型、流动模型、近 壁面区域模型、多相流模型等理论，为后续的数值模拟提供理论支持。 第3 章对涡轮式煤浆混合槽展开了更进一步的对比研究，采用计算流 体力学的手段，重点关注挡板与混合槽之间的间隙、搅拌桨圆盘直径以及 搅拌桨倾斜角度等三种影响因素，得到其他参数不改变时，这三种因素对 槽内流体混合效果的影响。 第4 章提出了螺旋式煤浆混合槽结构，该结构旨在解决煤粉进料管进 料困难、混合槽内挡板处物料堆积以及混合过程中轴向推进力不足的问题， 仍然周数值模拟的方法对该混合槽进行模拟，模拟结果显示：螺旋式煤浆 混合槽基本上能够完成设计初衷，但仍然存在一定不足，结构仍然有很多 可改进之处。 第5 章提出了犁刀式煤浆混合槽，该混合槽在总结涡轮式和螺旋式混 合槽的基础上，用犁刀式桨叶代替了涡轮式桨叶通过数值模拟和物理实 验两种手段对该混合槽进行研究。研究结果显示：犁刀式煤浆混合槽能够 浙江大学硕士学位论文绪论 解决煤粉进料管进料困难的问题，可以提供较充分的轴向推进力。同时， 犁刀式结构的剪切力优于前两种结构。 1 4 浙江大学硕士学位论文 计算流体力学模型理论 2 计算流体力学模型理论 计算流体力学作为一种数值模拟手段，其模型选用是决定计算结果的最重要 因素，本章在简单介绍流体力学控制方程组的基础上，重点介绍现在常用的各种 求解模式、湍流流动模型、近壁面区域模型、多相流模型等，为后续的数值模拟 模型选用提供依据。 2 1 流体力学控制方程组 流体是液体和气体的统称，由大量的不断做热运动而无固定平衡位置的分子 构成。流体与人们的生活息息相关，自古以来，人类对流体的研究就从来没有中 断过。流体流动要遵循基本物理守恒定律的约束，包括质量守恒定律、动量守恒 定律以及能量守恒定律。当流体不是由单组份组成，而是包含至少两种不同组分 时，流体流动还将遵循组分质量守恒定律；同时，如果流体的流动处于湍流状态， 整个系统还将遵循湍流运输方程。 质量守恒方程： 譬+ d i v ( p u ) = 0 ( 2 - 1 ) 动量守恒方程：型譬生+ d i v ( p 硼) ：d i v ( 肛铲a d u ) 字+ 瓯 ( 2 2 ) o t优 旦笔掣+ d i v ( p v u ) ：d i v ( “铲a d v ) 宅+ 鼠 ( 2 3 ) 优洲 掣+ d i v ( p w u ) _ d i v ( 嵋考+ & ( 2 4 ) 能量守恒方程：a ( 优p t ) + d i v ( pu t ) = d i v l l c k ，g r a d t ) + 品 ( 2 5 ) 优ic j 组分质量守恒方程：型尝尘+ d i v ( p u c , ) = d i v ( 琅蓼a d ( pq ) ) + 瓯 ( 2 6 ) 甜 式中：p 流体密度，g c m 3 ；“速度矢量，m s ； u 、，、w 为其在坐标轴上的分量，m l s ；流体的动力粘度，见j ； 、鼠和& 动量守恒方程的广义源项； 丁流体温度，；c 。组分s 的体积浓度；n 组分s 的扩散系数，册2 s ； 浙江大学硕士学位论文计算流体力学模型理论 墨系统内部单位时间单位体积内，通过化学反应产生的组分s 的质量，即 生产率。 2 2 流体力学计算模型 通过数值模拟的方法，求解上述全部或部分控制方程组中的参数，是计算流 体力学的任务所在。在所有的方程中，全三维湍流n s 方程是描述流体流动最 重要的数学模型，然而，就现在的技术条件，想要精确的求解该方程是不可能的 例。这是因为，想要精确求解就需要兼顾整体和局部。整体上来说，在数值模 拟过程中所采用的计算区域，必须包含所有漩涡，无论这个漩涡有多么大。局部 上来讲，计算中采用的网格尺寸又必须足够小，小到最小的漩涡也可以清晰的表 达。而就目前计算机的内存容量来讲，这是不可能实现的。而且即使计算机内存 容量可以允许采用如此细小的网格，依据现在计算机的计算速度，计算如此细小 的网格所需要的时间也是惊人的，在实际应用中是不可能操作的。因此，求解 n s 方程时，普遍采用平均处理+ 湍流模型的求解模式。 2 2 1 建立求解模式 建立求解模型，非常关键的一步是对湍流模型进行恰当的处理。湍流出现在 流场内部速度波动的地方，这种波动使得各流体介质在动量、能量和组分等方面 发生变化，而且这种变化是小尺度和高频率的。目前，对湍流的处理j 可以概括 为三种方式，分别是：直接模拟( d i r e c tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，d n s ) 、大涡模 拟( l a r g ee d d ys i m u l a t i o n ，l e s ) 和雷诺平均法( r e y n o l d a - a v e r a g e d n a v i e r - s t o k e s ， r a n s ) 。 直接模拟就是直接用瞬时的n s 方程对湍流进行模拟计算，其优势在于无 需对湍流流动进行任何的简化或近似，理论上可以得到非常准确的计算结果