（化工过程机械专业论文）偏心式磷酸反应槽中三维流场的数值模拟.pdf

2 二二 一一 二二 年年 五五 月月 独独 创创 性性 声声 明明 本人声明所呈交的学位论文是我个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，除文中已经标明引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研 究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识 到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解我校有关保留、使用学位论文的规定，即： 我校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅。本人授权武汉工程大学研究生处可以将本学位论文的全 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 复制手段保存和汇编本学位论文。 保 密 ， 在 年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密 。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 年 月 日 年 月 日 a thesis submitted in fulfillment of the requirements for the degree of master of engineering numerical simulation of hydrodynamics in phosphate reactor with eccentric agitators major : chemical engineering machinery candidate : dong housheng supervisor : associate professor.wei huazhong wuhan institute of technology wuhan, hubei 430073, p.r.china may,2012 4 摘 要 i 摘摘 要要 随着磷肥工业和磷酸盐工业的发展，磷酸在工业上的需求量迅速增 加。由于磷矿资源的有限性和当前磷酸反应槽内搅拌器效率不高，合理 的运用现有资源显得尤为重要。目前，对磷酸反应槽的设计主要是依靠 传统的经验设计，这种设计不仅设计周期长，而且往往达不到设备的最 佳使用效果，对资源、资金、人力和物力造成了浪费。偏心搅拌是搅拌 轴偏离搅拌槽中心位置的一种的搅拌形式，它破坏了槽内流场结构的对 称性，诱导了槽内流体的混沌混合，与常规搅拌槽相比，不需设置挡板， 被广泛应用于化工、制药、冶金等行业。到目前为止，在磷酸反应槽中 采用偏心式搅拌的混合方式未曾见之于报道。 本文是基于研究某工程中50006500 磷酸反应槽在生产过程中的 节能优化问题，经研究在磷酸反应槽中使用偏心式搅拌，采用数值模拟 的方法对偏心式磷酸反应槽中的三维流场进行了模拟分析，着重探讨了 偏心率与转速对流场结构的影响规律，所做工作如下： （1）将工程用的磷酸反应槽简化为实验用的搅拌槽，用清水代替实 际工作介质，分别用数值模拟的方法和 piv 实验研究的方法对偏心搅拌 槽中的流场进行分析，比较两者的分析结果。 （2）建立偏心式磷酸反应槽的数值分析模型，对偏心式搅拌槽中流 场进行数值模拟，分析偏心率和搅拌转速的改变对槽内流场的影响规律。 （3）确定适合本研究工作的偏心率和搅拌转速。 对所做工作进行总结，得到以下结论： （1）通过 fluent 软件和 piv 系统对实验室搅拌装置中的流场进行 研究，对结果进行比较发现，在误差允许的范围内，模拟结果可反映出 真实的流场，验证了 fluent 软件对偏心搅拌槽中流场预测的可靠性。 （2）偏心式搅拌反应槽中的流场呈非对称性结构，液流由液面向下 流动至桨叶处被分为两股流体，一股发生转向沿槽壁向上流动，一股沿 槽壁向下流动至槽底处转向，流向桨叶底部，由此在整个槽内形成两个 大的循环流，循环流位于桨叶上下方。 武汉工程大学硕士学位论文 ii （3）随着偏心率的增加，搅拌轴偏向一侧的流体受到挤压，偏离一 侧的循环流范围增大，但并非偏心率越大槽中液流的扰动越强，在本研 究工作中，偏心率为 0.2 时，槽中的搅拌效果为最佳。 （4）随着转速的增加，槽中液流的速度得到加强，尤其是靠近液面 附近的流体速度得到加强，但并非速度越大，槽中混合效果就越好，当 速度增大到某一值后，槽中流场的分布结构几乎未发生改变。在本研究 工作中，搅拌转速 160rpm 为最佳适宜值。 （5）在磷酸反应槽中采用偏心式搅拌不仅可以改善反应槽中的流场 结构，增强槽内流体的扰动，提高混合效率，而且可以节约能量。 本文的研究工作对磷酸反应槽的改进具有一定的参考价值。 关键词：关键词：磷酸反应槽 混沌混合 偏心搅拌 数值模拟 piv（粒子成像 测速技术） abstract iii abstract with the development of the phosphate fertilizer industry and phosphate industry, the demand for phosphate in the industry in increasing rapidly. rational use of available is particularly important due to the limited resources of the phosphate. at present, the phosphate reactor design relies mainly on traditional experience design, this design not only lead to long design cycles, and often failed to achieve the optimal use effect of devices, resulting in waste of resources, financial, human and material resources. the eccentric agitation is a kind of stirring form whose stirring axis is deviating from the center of the stirred tank. it destroys the symmetry structure of the slot flow, so the the chaotic mixing of the fluid in the tank are induced. comparing with the conventional stirred tank, it doesnt need to install baffles and has been widely used in chemical, pharmaceutical, metallurgical and other industries. so far, the eccentric stirring mixed way applies in the phosphoric acid reaction tank never seen in reports. this article is based on the study of a project50006500 phosphoric acid reactor in the production process of energy-saving optimization problem, after the study, eccentric agitator used in the phosphoric acid reaction tank, the three-dimensional flow field of the phosphoric acid reaction tank were simulated and analyzed by numerical simulation, focused on the eccentricity and the speed impact on the law of the flow structure, works as follows: (1).the phosphoric acid reaction tank used in project is simplified to the stirred tank used for the experiment, using water instead of actual working media, using numerical simulation method and piv experimental research on the flow field of the eccentric stirred tank, then, to compare the results of the analysis. (2).the numerical analysis model of the eccentric phosphate reactor was established, the flow field in eccentric stirred tank was simulated, then, 武汉工程大学硕士学位论文 iv analysis of the change of the eccentric ratio and stirring speed on the law of the flow field in tank. (3).the appropriate eccentric ratio and stirring speed of this research work were determined. the work was summarized, and gets the following conclusion: (1).the flow field in stirring tank was studied through the fluent software and piv system, after comparing the results; it found that the simulation results can reflect the real flow field within the range of allowable error. thus, the reliability of the fluent software predicts the flow field in eccentric tank was verified. (2).the flow field in eccentric stirred tank was asymmetric structure. the flow that from the surface downward movement to the blade is divided into two shares of fluid, the one upward along the tank wall; the other dotard along the tank wall, but turn to at the bottom of tank, then, the flow upward to the bottom of blade. therefore, two large circular flows were formed in entire tank. (3).with the increase of eccentricity, the range of the large part of the circular flow was increased, but not the greater the eccentric ratio, the stronger the flow disturbance. in this work, stirring effect achieve the best when the eccentric ratio of the tank is 0.2. (4).as the speed increases, the speed of flow was strengthened, especially the fluid velocity that close to the surface has been strengthened, however, distribution of the slot flow field structure is almost not changed when the speed is increased to a value. in this work, the appropriate rotate speed is 160rpm. (5).eccentric mixing can not only improve the flow structure of the reaction tank, enhance the disturbance of fluid in the tank and improve the mixing efficiency, but also save energy. this research work can provide a certain reference value on the abstract v phosphoric acid reactor improvements. keywords: phosphoric acid reactor; chaotic mixing; eccentric agitation; numerical simulation; piv (particle image velocimetry) 武汉工程大学硕士学位论文 vi 目 录 vii 目目 录录 摘 要 . i abstract . iii 目 录 . vii 第 1 章 绪 论 . 1 1.1 研究背景及意义 . 1 1.2 cfd 技术在搅拌槽中的应用与发展 . 2 1.2.1 cfd 技术简介 . 2 1.2.1 国内搅拌槽内流场研究现状 . 3 1.3 混沌混合的应用与发展 . 5 1.3.1 混沌混合 . 5 1.3.2 国内外混沌混合研究现状 . 6 1.4 偏心搅拌 . 7 1.4.1 偏心搅拌在工程上的应用 . 7 1.4.2 偏心搅拌研究现状 . 8 1.5 piv 技术及其应用 . 9 1.5.1 piv 技术简介 . 9 1.5.2 piv 技术在搅拌槽中的应用 . 10 1.6 本课题的主要研究内容及研究方案 . 12 1.6.1 本课题的研究目的 . 12 1.6.2 本课题的主要研究内容 . 13 1.6.3 本课题的研究方案 . 14 第 2 章 偏心搅拌槽内流场的数值模拟与试验方法 . 15 2.1 偏心搅拌槽中流场的相似论证 . 15 2.2 搅拌槽内流场的 cfd 分析原理 . 17 武汉工程大学硕士学位论文 viii 2.2.1 基本控制方程 . 17 2.2.2 cfd 模型的离散 . 20 2.3.3 流场数值计算算法 . 20 2.2.4 搅拌槽内数值模拟方法简介 . 22 2.3 偏心搅拌槽内数值模拟的流程 . 23 2.3.1 几何模型及计算参数 . 24 2.3.2 网格划分 . 24 2.3.3 fluent 求解步骤 . 26 2.4 偏心搅拌槽中流场的试验方法 . 32 2.4.1 实验装置 . 32 2.4.2 piv 技术的原理 . 34 2.4.3 实验步骤 . 36 2.5 模拟结果与实验结果的对比分析 . 36 2.5.1 宏观流场的结果对比 . 36 2.5.2 综合速度的结果对比 . 38 2.5.3 误差分析 . 40 2.6 本章小结 . 41 第 3 章 偏心率对偏心搅拌槽内三维流场的影响 . 43 3.1 流场结构分析 . 43 3.1.1 铅垂面速度场 . 43 3.1.2 水平面速度场 . 47 3.2 时均速度分布 . 50 3.3 本章小结 . 53 第 4 章 转速对偏心搅拌槽内三维流场的影响 . 55 4.1 转速对搅拌槽中流体流型的影响 . 55 4.2 转速对槽中流体时均速度分布的影响 . 57 4.3 转速对功率消耗的影响 . 58 目 录 ix 4.4 本章小结 . 60 第 5 章 磷酸反应槽改进前后对比分析 . 61 5.1 流场结构对比分析 . 61 5.2 搅拌功率对比分析 . 62 5.3 本章小结 . 63 第 6 章 全文总结与展望 . 65 6.1 全文总结 . 65 6.2 展望 . 66 参 考 文 献 . 67 符 号 说 明 . 71 攻读学位期间发表的学术论文 . 73 致 谢 . 75 武汉工程大学硕士学位论文 x 第 1 章 绪论 1 第第 1 章章 绪绪 论论 1.1 研究背景及意义研究背景及意义 磷酸反应槽是磷酸生产工艺流程中的主要设备之一，反应槽主要由 驱动装置，搅拌桨，槽体，挡板组成1。磷酸是一种用途极为广泛的工业 产品，主要用于制药、食品、肥料等工业。目前，工业上生产磷酸的方 法主要有两种，一种是热法生产法，这种生产法生产出来的产品质量高， 主要用来制取磷酸盐产品；一种是湿法生产法2，这种生产法生产出来的 磷酸质量较差，产品中含有大量杂质，一般这种产品主要用于肥料的生 产。 随着磷肥工业和磷酸盐工业的发展，磷酸在工业上的需求量迅速增 加。由于磷矿资源的有限性和当前磷酸反应槽中搅拌器效率不高，合理 的运用现有资源显得尤为重要。目前，对磷酸反应槽的设计主要是依靠 传统的经验设计，这种设计不仅设计周期长，而且往往达不到设备的最 佳使用效果，对资源、资金、人力和物力造成了浪费。因此，无论是从 理论层次还是从实际应用上对磷酸反应槽中的搅拌性能进行研究很有必 要。 现阶段，对搅拌问题的研究主要从两方面来展开，一是开发新型搅 拌桨，二是对现有搅拌器进行改进。按一般搅拌设计，必须在搅拌槽中 设置挡板，但在由耐腐碳砖砌成的磷酸反应槽中衬砌挡板，不仅施工不 易，而且衬砌的挡板质量很难保证。经综合考虑，在磷酸反应槽中使用 无挡板的偏心式搅拌。 本文运用数值模拟的方法对磷酸反应槽的节能优化问题进行研究， 旨在对现有装置的改进提供参考性的建议。 武汉工程大学硕士学位论文 2 1.2 cfd 技术在搅拌槽中的应用与技术在搅拌槽中的应用与发展发展 1.2.1 cfd 技术简介技术简介 目前，搅拌混合的研究还未形成比较完善的理论体系，大多都是依 靠经验来完成搅拌器的设计。这种依靠经验的方法在工业生产中有很大 的局限性，大多的数据只适合常用的搅拌器，此外，这种基于整体的设 计并未考虑到搅拌反应器中复杂的流场结构。实验证明：依靠经验设计 的搅拌器大多未处在最佳运行状态。因此，必须寻找一种新的方法来掌 握搅拌反应器中的流动状况。cfd 技术就是顺应这种趋势发展起来的。 计算机模拟可以对搅拌反应器中的流场进行详细描述，以便研究者对其 进行研究。与实验方法相比，计算机模拟表现出了极大的优越性，如可 以减低实验成本，可以清晰的了解搅拌反应器中的流场结构，可以完成 设计与放大的过程等3-4。 搅拌反应器的模拟也存在一些问题，单从数值模拟的角度来看，搅 拌槽内的流动是变化的，须解决转动的搅拌桨与静止的槽壁、挡板等之 间的相互作用。为了解决这个问题，一些研究者提出了“黑箱”模拟法、 内外迭代法、多重参考系法与滑移网格法等。 （1） “黑箱”模拟法 “黑箱”模拟法是首次运用于搅拌反应器模拟的方法，解决了静止的 部件同运动的部件之间的相互作用，得到了流场结构。该方法有个显著 的特点就是将桨叶区在计算时从计算域中除去。搅拌桨被看做为一“黑 箱” ，桨叶对流体的作用是通过湍流参量与时均速度参量来替代的。 “黑 箱”模拟法的优点有：计算量小、处理简单、不考虑桨叶区的网格、计 算稳定。其缺点是边界条件的确定需要实验数据5-7。 （2） 内外迭代法 内外迭代法是由 brucato 等8-9首次提出，这种方法将计算域分成两 个内外重叠的区域。内区域包含搅拌桨，外区域是排除搅拌桨以外的其 他区域。在计算时，内区域采用旋转坐标系法，外部采用静止坐标系法。 两区域通过交替迭代计算得到收敛结果。该方法的优点是边界条件的确 第 1 章 绪 论 3 定不在需要试验数据，实现了搅拌反应器内整体流场的模拟。缺点是计 算速度慢。 （3） 多重参考系法 多重参考系法10是搅拌槽流场模拟的常用方法。该方法的思想与内 外迭代法类似，不同的是多重参考系法的两个区域没有重叠。两个区域 内的参量匹配是通过交界面上的坐标系来实现11。多重参考系的优点在 于它不需要借助实验就可实现整个槽内的流场计算，且计算量小，属于 稳态算法的一种。 （4） 滑移网格法 滑移网格法是由 luo12提出，旨在在解决桨叶产生的尾涡现象。在 区域划分上，滑移网格法同多重参考系法相同，不同之处在于桨叶区域 的网格是随时间转动的，两个区域的交界面处的网格存在相对滑动。滑 移网格法属于非定常计算法，它的优势在于它可解决桨叶产生的尾涡现 象以及研究瞬态流动，不足是计算量大。 1.2.1 国内搅拌槽内流场研究现状国内搅拌槽内流场研究现状 国内在搅拌槽流场的数值模拟方面与国外还存在很大的差距，这个 主要是国内计算机水平落后，在这方面的研究起步晚所致。即便如此， 国内的研究仍然取得了很多成果。 王振松、李良超、黄雄斌13运用计算流体力学软件 cfx 模拟了搅拌 槽内固液流场，并利用标准-模型对清水和固液两相流场进行计算， 分析了槽内流场分布对固体颗粒悬浮状况的影响，并把模拟结果与实验 结果进行比较。研究表明： 在固液混合体系中，加入固体颗粒后，液相速度将衰减；搅拌槽槽 底浓度的分布由槽底流场的分布决定，即液相速度高的区域浓度就高， 液相速度低的区域浓度就高。 马青山、聂毅强、包雨云等14利用不同混合模型对搅拌槽内流场进 行模拟，模拟结果与实验结果吻合较好。研究表明：不同湍流模型所模 拟出的结果在某些区域内的速度分量有很大差别，尤其是液面附近区域， 武汉工程大学硕士学位论文 4 这体现了不同湍流模型的主要差别在边缘区域；模拟结果能较准确的描 述搅拌槽内的流动场，对改进搅拌槽有一定的指导意义。 侯拴弟、钟孝湘、王英琛等15对不同条件下，斜四叶涡轮搅拌槽内 的流场进行模拟，研究了浆径与槽径之比、桨叶离底高度对槽内流场的 影响。结果表明：桨叶离底距离与槽径的比值较小时，桨叶区域轴向流 较强，比值较大时，桨叶区域径向流增强；当桨叶离底距离与槽径的比 值为 0.5 时，在桨叶下方区域形成二次循环域。 王春林、马庆勇、李婷婷等16对搅拌浆液池中的固液两相流进行了 模拟，研究了固体浓度对池内液相流场的影响规律。分析了搅拌槽垂直 面与水平面内液相流场分布及固体颗粒分布状况，并研究了其产生的原 因。结果表明：从液流的整个流型来看，整个池内的流体流动以轴向流 为主，固体颗粒是通过液流的速度及冲击力实现混合，达到搅拌目的。 刘敏珊，张丽娜，董其伍17利用计算流体力学软件 fluent 对搅拌 槽内流场进行模拟，发现不同监测点的响应差别明显，研究了搅拌桨离 底高度对槽内流型、速度分布及功率消耗的影响。研究表明：当桨叶离 底距离与搅拌槽槽径之比为 0.278 时， 搅拌槽内的流型将发生转变， 同时， 搅拌浆所消耗的功率最低。 孙会、潘家帧18研究了新型组合浆在湍流域内搅拌槽内的流场，考 察了不同转速比对槽内宏观流动场和湍流分布的影响。研究表明：在湍 流域内，外浆搅拌行为的介入不会改变宏观流场结构，但会对槽内局部 区域产生影响；搅拌桨附件湍动能较大，流体混合较好，槽底及槽壁区 域湍动能较小，混合相对较差。 钟丽、黄雄斌、贾志刚19使用计算流体力学软件 fluent 模拟了搅 拌槽内固体颗粒离底悬浮临界转速，并使用两种不同的方法作为颗粒离 底悬浮临界转速的依据。同时研究了槽内固液两相的速度分布与固体颗 粒的浓度分布，比较了 6 种不同转速条件下固体颗粒的悬浮状况。研究 验证了数值模拟对搅拌槽内流场预测的正确性。 第 1 章 绪 论 5 1.3 混沌混合的应用与发展混沌混合的应用与发展 1.3.1 混沌混合混沌混合 当搅拌的介质黏度比较高时，要想达到预想的混合效果，就必须提 高搅拌的转速，转速的提高意味搅拌器电机功率也要提高，同时搅拌桨、 搅拌轴也要能承受较大的弯矩，这就要求桨、轴的材料强度高。当搅拌 的介质对剪切力敏感时，就要求搅拌的转速尽量的小，以避免剪切力对 介质形成破坏，这时搅拌通常是在层流状态下进行，因此搅拌效率很低。 研究发现：层流状态下，搅拌槽内普遍存在两个混合区域，一个是 混沌混合区，另一个是混合隔离区(如图 1-1 所示)。混沌混合区内流体运 动复杂，流体的拉伸呈指数增长，因此混合程度较高。混合隔离区（如 图 1-2 所示） 是由轴向速度与径向速度均为零的流体组成， 隔离区内流体 的拉伸呈线性变化，虽存在混合和现象，但仅靠分子扩散来实现，此外， 隔离区内外流体没有混合，因此混合程度低。 所以要想提高层流状态下 流体的混合效率就必须使混沌混合区增大。 目前，搅拌槽内混沌混合的 方法主要有偏心搅拌，变速搅拌，往复搅拌等，这些方法都是在槽内诱 发混沌，以破坏流体运动的周期性。 图 1-1 隔离区在搅拌槽中示意图 武汉工程大学硕士学位论文 6 图 1-2 混合隔离区结构示意图 1.3.2 国内外混沌混合研究现状国内外混沌混合研究现状 自从混沌混合被提出，国内外学者通过理论分析、数值模拟及实验 等一系列方法对搅拌槽内的混沌混合进行了大量的研究。归纳如下： yao 等20使桨叶在槽内以周期性的正、反运动旋转，借助这种运动 方式引发槽内的混沌现象，从而提高了槽内的混合效率。 ascanio 等21使桨叶偏离搅拌槽的中心位置，形成全槽的不对称结 构，从而诱发槽内的混沌运动，研究发现这种方式可以改善槽内的混合 效果。 franjione 等22提出了通过破坏槽内对称性结构的方法增强混合效 果。 张翠勋23采用实验与数值模拟相结合的方法研究了变速搅拌槽内的 流场及混合特性。 李岩24用数值模拟的方法模拟了无挡板搅拌槽内的三维层流流场。 主要对层流搅拌槽内混沌混合的机理，混合特性，影响因素等进行了研 究，并进行了可视化实验研究。 杨锋苓等25用数值模拟的方法研究了偏心搅拌时槽内的固液悬浮特 性。结果表明：偏心搅拌时，槽内的浓度分布更加均匀，且不同的偏心 率下的分布状况有所不同，偏心率为 0.21 时槽内的悬浮效果最佳。 栾德玉等26提出了用错位叶片的结构方式来消除槽内的混合隔离 第 1 章 绪 论 7 区，并利用数值模拟的方法研究了错位六弯叶涡轮搅拌器在黄原胶水溶 液中的流场。结果发现：错位叶片可消除混合隔离区，改善混合效果。 综上可知：根据动力学扰动的方式不同可将诱发混沌混合的方法分 为两类，一种是时间混沌混合，一种是空间混沌混合。时间混沌混合对 驱动装置的要求较高，因此，在工业上的应用不是很广泛。空间混沌混 合虽没有时间混沌混合的效果好，但易于实现，在工业中应用广泛，但 它稳定性差，容易引起机械振动，操作性不强，可靠程度不高。 1.4 偏心搅拌偏心搅拌 1.4.1 偏心搅拌在工程上的应用偏心搅拌在工程上的应用 搅拌反应器是过程工业中不可或缺的工业反应器，它被广泛运用于 石油、化工、医药和冶金等行业中。搅拌反应器的结构特点决定了在其 内部容易形成死区而使反应器内液体的混合效率降低。工业上多采用添 加内部构件的方式如安装挡板来增强反应器内的混合，提高混合效率。 然而挡板的存在不仅没能消除死区，而使能耗增加。为提高搅拌槽中的 混合效率，现阶段，人们主要从两方面着手，一是开发新型搅拌桨，另 一方面是对现有搅拌桨的安装形式和运动方式进行改进，提出了偏心搅 拌、变速搅拌、往复搅拌等搅拌混合方式。实践证明，变速搅拌和往复 搅拌可以改善搅拌槽中的混合效果，提高混合效率，与传统的搅拌方式 相比具有一定的优越性，但这两种搅拌方式对驱动装置的要求颇高，需 要与之配套的速度控制程序（运动控制机构）来控制搅拌桨的运动，这 不仅使设备变的复杂，还使成本增加，此外，这两种搅拌方式在运行过 程中会产生冲击载荷，使设备的使用寿命降低。相比而言，偏心搅拌具 有一定的优势。已有的研究发现，偏心搅拌不仅可以消除层流状态下搅 拌槽内存在的混合隔离区，加强搅拌槽中流体的轴向循环流动，提高混 合效率，而且还可以破坏湍流状态下槽中流场结构的对称性，使流体的 轴向速度和径向速度得到加强，进而提高混合效率。偏心搅拌对设备的 要求低，易于实现，因此，被广泛应用于单一液相、固液和气液两相混 武汉工程大学硕士学位论文 8 合中，涉及的流体不仅有牛顿流体也有非牛顿流体。 偏心搅拌是指搅拌轴偏离立式容器中心位置的一种混合方式，其原 理是通过破坏槽内流动结构的对称性和周期性来诱发槽内混沌现象，从 而实现混合的目的。与中心搅拌方式相比，它不需要在反应器中安装挡 板，这不仅简化了反应器的结构，还避免了挡板引起的一系列问题，如 挡板附近存在混合死区、挡板的清洁等等。 偏心搅拌在工业应用中具有较大的优势，既能运用于层流混合领域， 也能运用于湍流混合领域，涉及的物料包含了牛顿流体和非牛顿流体， 除单一液相的混合外还有固液、气液两相混合，此外，不仅可运用于单 层搅拌桨的搅拌装置又可运用于多层搅拌桨的搅拌装置，应用范围覆盖 了中小型搅拌槽。然而，目前关于偏心搅拌的研究还很少见于报道，因 此，对偏心搅拌进行深入的研究很有必要。 1.4.2 偏心搅拌研究现状偏心搅拌研究现状 最早研究偏心搅拌性能的学者是 alvarez 等， 他们借助实验的手段分 析了槽内层流流动和混合的类型。实验所采用的搅拌槽内径为 120.6mm， 桨叶形式有三种，分别为 rushton 涡轮桨、pbt 桨和无桨叶的圆盘。定 义偏心率为桨叶偏离轴线的距离与搅拌槽半径之比。研究发现偏心率的 大小对层流混合流场的影响很大。除此之外还发现桨叶的形状不会影响 偏心搅拌的优越性。后来他们运用数值模拟的方法观察槽内混合类型， 发现偏心搅拌确实能够提高槽内混合效率27-29。 ascanio 等30研究了牛顿流体在层流状态下， 偏心搅拌槽内的搅拌效 果。结果表明：偏心搅拌的的性能由被搅拌的液体的黏度决定。搅拌液 体为高黏度时，无论是轴向流搅拌桨还是径向流搅拌桨，混合时间都将 缩短；搅拌液体为低粘度时，所耗的能量要比中心搅拌多，有时混合时 间也会更长。 karcz 等31在前人基础上借助实验的方法，研究了轴流式推进桨和 he3 桨在湍流状态下偏心搅拌牛顿流体时的性能。首次将偏心率对混合 时间、功率等因素的影响进行量化，并给出了具体的数学公式。 第 1 章 绪 论 9 cabaret 等32将单偏心轴双层 rushton 桨搅拌槽内的搅拌效果同双偏 心轴单层 rushton 桨搅拌槽内的搅拌效果进行对比， 结果发现： 双轴单桨 偏心搅拌的混合时间缩短了，混合分区现象也得到消除，而且所耗能量 也比单轴双桨偏心搅拌要低。 高殿荣等33将 rushton 搅拌桨的叶片进行非对称结构布置以便增强 槽内的混合效果，其中包括偏心搅拌。通过模拟发现：非对称结构可以 引起槽内的混沌现象，这表明非对称结构比对称结构的混合效果好。 杨锋苓，周慎杰，张翠勋等34用数值模拟的方法研究了偏心搅拌槽 内固液的悬浮特性。考察了偏心率对流场流型，浓度分布及功率消耗的 影响。研究表明：偏心搅拌的颗粒浓度分布要比常规搅拌的分布均匀， 而且所耗功率也低. 由上可知：偏心搅拌可以改善搅拌槽内的混合效果，其原理是通过 破坏槽内流动结构的对称性和周期性来诱发