（流体机械及工程专业论文）层流搅拌槽内三维混沌混合流场数值模拟及可视化实验研究.pdf

摘要 摘要 层流搅拌槽在化学工业、生物工程、制药工程、材料加工等领域有着 广泛的应用。当所处理的介质对剪切力敏感时，搅拌的速度很低，流动的 雷诺数很小，从而使混合效率降低。在层流搅拌槽内诱发混沌混合可以有 效地提高混合效率，缩短混合时间，在工程应用中有着广阔的前景。 本文主要对层流搅拌槽内混沌混合的形成机理、混合特性、影响因素 以及在工程实际上的应用作了理论分析、数值模拟以及可视化实验的研究。 论文主要的研究内容如下： ( 1 ) 对混沌混合增强混合效率的原理进行介绍，提出一种非蒯期、非对 称三维混沌混合的构想，运用叶轮运动的非j 吉j 期性以及叶轮结构及其在搅 拌槽中布置的非对称性，来增加对搅拌槽中层流流体的搅动，诱发三维混 沌混合现象，提高混合效率。 ( 2 ) 使用c f d 仿真软件对搅拌槽内的三维层流混和进行仿真和模拟。模 拟了以下四种不同情况下的三维层流流场：同心六叶片叶轮，转轴相对于 叶片偏心的六叶片叶轮，转轴叶片都相对于桶偏心的六叶片叶轮，同心三 叶片叶轮，并对所产生的三维流场进行了后处理和特性分析，解释了由于 几何形状的非对称性诱发层流搅拌槽内三维混沌混合的机理。 ( 3 ) 通过对三种不同方案下，即叶轮匀速转动、叶轮速度按照时间周期 性变化转动、叶轮按照时间周期性正反转转动的实验结果的分析、比较， 定性的验证了层流搅拌槽内运用叶轮运动的非周期性来增加对搅拌槽中层 流流体的搅动，诱发三维混沌混合现象，破坏搅拌槽中不利于充分混合的 隔离层的生成，从而提高混合效率这一理论的正确性。 关键词层流混合；搅拌槽；混沌效应；c f d ；隔离混合层 鉴生奎兰工兰堡圭兰堡笙茎 a b s t r a c t l a m i n a rs t i r r e dt a n k sa r ew i d e l yu s e di nc h e m i c a le n g i n e e r i n g ，b i o m e d i c a l e n g i n e e r i n g ，p h a r m a c e u t i c a le n g i n e e r i n g ，a n dm a t e r i a lp r o c e s s r t l e nt h em e d i a i ns t i r r e dt a n ka r es h e a rs t r e s s s e n s i t i v e ，e i t h e rt h er o t a t es p e e do rt h er e y n o l e s n u m b e ri sq u i t el o w , m i x i n gi so f t e ni n e f f i c i e n t g e n e r a t i n gac h a o t i cm i x i n gi n l a m i n a rs t i r r e dt a n kc a ne f f e c t i v e l yi m p r o v et h em i x i n ge f f i c i e n c y , s h o r t e nt h e m i x i n gt i m e ，a n dh a v ew i l df u t u r ei ne n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n i nt h ep a p e r , t h es t u d i e so ft h e o r ya n a l y s i s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n tw e r ed o n et o r e v e a lt h ef o r mm e c h a n i s m ，m i x i n gc h a r a c t e r i s t i c ， i n f l u e n c ef a c t o ra n da p p l i c a t i o ni ne n g i n e e r i n go fc h a o t i cm i x i n gi nl a m i n a r s t i r r e dt a n k t h em a i nc o n t e n to ft h ep a p e ri sa sf o l l o w s ： ( 1 ) i n t r o d u c e t h et h e o r yo fh o wc h a o t i cm i x i n gi m p r o v et h e m i x i n g e f f f i c i e n c y , b r i n g f o r w a r da n i d e ao f a p e r i o d i c a n d d i s s y m m e t r i c a l t h r e e d i m e n s i o n a lc h a o t i cm i x i n g ，u s et h en o n p e r i o d i c i t yo fi m p e l l e rr o t a t i o n a n dt h ed i s s y m m e t r i c a lo fi m p e l l e rc o n f i g u r a t i o na n dd i s p o s a li ns t i r r e dt a n kt o e n h a n c et h e a g i t a t i o n o fl a m i n a rf l u i di ns t i r r e d t a n k s ，g e n e r a t e a t h r e e d i m e n s i o n a lc h a o t i cm i x i n g ，i m p r o v et h em i x i n ge f f i c i e n c y ( 2 ) u s ec f ds o f t w a r et os i m u l a t et h et h r e e d i m e n s i o n a ll a m i n a rm i x i n gi n s t i r r e dt a n k s i m u l a t et h et h r e e d i m e n s i o n a ll a m i n a rf l o wf i e l do ff o u rd i f f e r e n t c o n d i t i o n s ：t h ei m p e l l e rw i t h6b l a d e di sc o n c e n t r i cw i t ht h ev e s s e l ，t h ei m p e l l e r w i t h6b l a d e di se c c e n t r i ct ot h er o t a t i n ga x i sa n dt h ev e s s e l ，t h ei m p e l l e rw i t h6 b l a d e da n dt h er o t a t i n ga x i sa r ee c c e n t r i ct ot h ei m p e l l e r , t h ei m p e l l e rw i t h3 b l a d e di sc o n c e n t r i cw i t ht h ev e s s e l p o s t p r o c e s sa n dc h a r a c t e r i s t i ca n a l y z et h e t h r e e - d i m e n s i o n a lf l o wf i e l d ，a n de x p l a i nt h em e c h a n i s mo fd i s s y m m e t r i c a l g e o m e t r yf i g u r eg e n e r a t et h r e e d i m e n s i o n a lc h a o t i cm i x i n gi n l a m i n a rs t i r r e d t a n k ( 3 ) a c c o r d i n gt oa n a l y z ea n dc o m p a r et h ee x p e r i m e n tr e s u l t s o ft h r e e i i a b s t r a c t d i f f e r e n tc a s e s ：s t e a d yr p m ，c o r e v e r s ep e r i o d i cr p m ，t i m e p e t i o l ef l u c t u a t i o n o fr p m ，q u a l i t a t i v ev a l i d a t et h et h e o r yo fu s i n gt h en o n - p e r i o d i c i t yo fi m p e l l e r r o t a t i o nt oe n h a n c et h ea g i t a t i o no fl a m i n a rf l u i di ns t i r r e dt a n k s ，g e n e r a t ea t h r e e d i m e n s i o n a lc h a o t i cm i x i n g ，d e s t r o yi s o l a t e dm i x i n gr e g i o n sw h i c hi sb a d t ow h o l em i x i n gi ns t i r r e dt a n k ，i m p r o v et h em i x i n ge f f i c i e n c y k e y w o r d sl a m i n a rm i x i n g ；s t i r r e dt a n k ；c h a o t i ce f f e c t ；c f d ；i s o l a t e dm i x i n g r e g i o n s 燕山大学硕士学位论文原创性说明 本人郑重声明：此处所提交的硕士论文层流搅拌槽内三维混沌混合 流场数值模拟及可视化实验研究，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读 硕士学位期问独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除己 注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结 果将完全由本人承担。 作者签字毒岩 日期：纠年7 月劢日 燕山大学硕士学位论文使用授权书 层流搅拌槽内三维混沌混合流场数值模拟及可视化实验研究系本 人在燕山大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论 文的研究成果归燕山大学所有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成 单位及相关人员。本人完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查 阅和借阅。本人授权燕山大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存 论文，可以公布论文的全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 日期：2 0 0 1 年7 月幻日岩 勿 m 弼 名 名 签 签 者 师 作 导 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景 混合在工业上的应用有着重大的意义。目前在化学工业、石油化工行 业、生物工程、制药工程、材料加工以及食品加工等领域广泛使用的用于 混合的是各种结构形式和不同尺寸的机械式搅拌槽。其工作原理足旋转着 的叶轮直接与被搅拌混合的介质相接触，带动介质的运动来实现单相、两 相或多相介质的混合和反应。各种机械式搅拌槽看起来结构简单，但其内 部的流动规律却十分复杂，并常常伴随传热现象的发生。当叶轮转速高时， 搅拌器内流体的流动足处于湍流状态，此时大尺寸的循环流动、叶轮附近 由于叶轮的周期性运动而诱发的尾涡流动以及最终耗散湍流动能的湍流脉 动共同存在，此时介质的混合不成问题。国内外有很多学者专家对搅拌槽 内的湍流流动进行了较为深入的数值计算和实验研究，取得了丰硕的研究 成果2 1 【3 】【4 】 5 】【6 】【7 】1 8 1 。 然而当处理混合高粘度流体( 如聚合反应) ，提高搅拌速度往往会导致 能量需求的增加，有时甚至会超出浆叶等硬件的承受能力。尤其在生物工 程及制药等领域，当所处理的介质对剪切敏感时，如蛋白质、高分子材料、 纤维、细胞组织等，高速的剪切运动会使大分子长链遭到破坏，这时的搅 拌速度很低，流动的雷诺数j i t d ，搅拌通常是处于低雷诺数的层流状态， 从而使混合效率降低，并有可能会导致一些严重的后果。如所希望的混合 或反应被减缓，甚至停止了，不希望的副产品却生成了，降低了生产效率， 甚至会造成对原材料的极大浪费。有计算和实验表明，当搅拌槽内的雷诺 数小于5 0 0 时，搅拌槽内在浆叶的上、下方附近会形成不参与混合的两个 环形规则区。这个规则区内介质的混合只能依靠分子的扩散运动来实现， 从而增加了工业生产中混合及反应的时间，副产品生成量的增加，混合效 率大大降低。 随着非线性理论与混沌理论的发展，特别足混沌动力学中的定性与定 燕山大学丁学硕士学位论文 量相结合的分析方法与流体混合的特性有很多相似之处，启发人们利用混 沌现象来实现和加强层流状态下流体的混合操作【9 】【”】。混沌现象是把表现 的无序性与内在的规律性巧妙地融合为一体。混沌混合正是基于这种无序 性与规律性的双重作用，使流体运动的流线呈现一种特殊形貌的这一现象 而被开始研究利用的。 1 2 层流混沌混合国内外研究现状 早在上世纪五，六十年代，国外的学者已经开始对搅拌槽内的混合进 行研究。早期的研究着重于不同叶轮几何形状对能量的需求。进入九十年 代和二十一世纪，国内外对混沌混合的研究情况可归纳如下： 王林翔等】在加权残数法与谱元法相结合的基础上，用数值方法研究 了扭管二次流实现流体混沌混合的过程，并进行了实验研究。王林翔等l l 列 在对扭转弯管中混沌混合的可视化方法研究中，提出了庞加莱胞映射和插 值胞映射相结合，可以大幅度提高模拟精度与速度，从而实现流体混合的 过程模拟。卢著敏等【l 用烟气显示扭管截面上的混沌对流图像并和数值结 果比较。结果表明在实际扭管流动中，由于在管截面上出现混沌，使得其 中的流体受到剧烈的拉伸和折叠，实现高效的混合操作。范毓润等1 1 4 埘偏 心圆环中周期性和非周期性混沌混合进行数值模拟和实验研究，结果表明 周期流存在大的规则区，不利于混合，而非周期流可以破坏周期流中的规 则区，使拉伸分布均匀，比周期流的混合效果更好。钟闻等【l 剐认为通过混 沌混合技术可以制得具有微纤维相互缠绕结构的复合材料。赵卫兵等 l 州认 为通过三维混沌混合，可以得到一种具有特殊微观结构的聚合物多相体系， 从而获得性能优异的聚合物材料。井新利等1 采用自制的双圆盘式混沌混 合装置，研究了聚苯乙烯( p s ) 与少量低密度乙烯( l d p e ) 进行共混时， 共混物中少相低密度聚乙烯( u ) p e ) 的结果演化及其对共混物韧性的影响。 a r c f 【9 1 明和s w a n s o n 【1 8 1 等通过实验和计算机模拟对二维混沌混合作了 详细的研究。z u m b r u n n e n t l g l 最先将三维混沌混合应用于制各聚合物中，在 对低密度聚乙烯与聚苯乙烯进行三维混沌混合的研究中，发现了可以通过 不断的拉伸、折叠形成细长的相互缠绕的微纤结构，使聚苯乙烯的性能得 2 第1 章绪论 到了明显的改善。l a m b e r t 0 1 2 0 1 使叶轮以周期性的方波形式的运动方式来增 加搅拌槽中的搅拌，实现搅拌槽的层流混沌混合，照相可视化实验表明经 过一定时间的搅拌后，叶轮上下方所形成的规则区逐渐消失。y a o l 2 ”使叶轮 以周期性的正、反转运动方式以及周期性方波的运动方式诱发搅拌槽中产 生混沌现象，使层流搅拌槽的混合效率得到提高。a l v a r e z l 2 2 等采用非对称 周期性的三浆叶叶轮对层流流场实现搅动，诱发混沌混合，激光诱发荧光 实验和直接数值模拟结果表明可以改善层流状态下的搅拌槽的混合效果。 a s c a n i o t 2 3 1 等采用叶轮偏离搅拌槽中心的结构形式，而叶轮以剧期性的运动 方式使层流搅拌槽内流体诱发混沌运动，他们的照相可视化实验研究表明 混沌效果得到了改善。 f r a n j i o n e l 等通过对方腔流进行分析提出了规则区产生的原因，并提 出了破坏对称性的方法以增强混合。l i u 【2 5 l 等通过数值计算拉伸场定量分析 非蒯期流的混合效果和时间周期流相比，非周期流的拉伸更均匀。 1 3 ；i 戤t ：f , t 献 u , t 1 日：g 合简介 混沌现象是把表现的无序性与内在的规律性巧妙地融合为一体。混沌 具有两个显著特征，即运动对初始条件的敏感依赖性和表现出一定的规律 性。在原来空间中的两个点，经混沌混合后到达的最终点之间的关系是根 本无法预测的。开始相邻较近的点经过了无数次的拉伸与折叠后，可能把 它们驱赶到任意远处，而后来彼此碰巧靠得很近的点可能是从开始相距任 意远处点的运动得到。混沌混合正是基于这种反复的拉伸与折叠，使流体 运动的流线呈现一种特殊形貌哳】。增强层流混沌混合效率的基本方法是增 大流动中的混沌区，然而在通常的对称混沌流中，混沌区和规则区是共存 的。在规则区中的流体只能通过扩散机制达到均匀化，效率非常低，要获 得更好的混合效果必须消除常规运动。因为在对称结构的流动中，规则区 是由于运动的周期对称性产生的，所以一种有效提高混合效率的方法是破 坏系统的周期性和对称性。本文提出一种非周期非对称三维混沌混合的构 想，运用叶轮运动的非周期性或叶轮结构及其在搅拌槽中布置的非对称性， 来增加对搅拌槽中层流流体的搅动，诱发三维混沌混合现象，提高混合效 燕山大学工学硕士学位论文 率并对所产生的三维混沌混合流场的特性进行流动分析、数值计算和实验 研究，充分认识非周期、非对称诱发三维混沌混合的机理，为非周期非、 对称三维混沌混合搅拌槽的设计提供依据，本课题的研究具有重要的理论 意义及实际应用价值。 1 4c f d 技术在层流搅拌槽中应用简介 1 4 1 c f d 简介 c f d 是c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( 计算流体动力学) 的缩写，是流体 力学理论研究的一个分支。一般对工程中的流体流动、传热、燃烧、化学 反应、多相流等的数值预测及工程应用简称为c f d 技术。c f d 技术的发展 总的来说足随着计算机技术及数值计算方法的发展而发展的。 c f d 能够分析与研究在各种复杂几何形状的空间( 装置) 内、外发生的下 列工程问题：流体流动；高温传热( 导热、对流、辐射换热、流固偶合传 热) ；气一固、液一固、气一液、液一液等多相流( 如均化库、增湿塔、气 力输送等) ；非牛顿流体流动( 流变、如粉体、混凝土、膏状物等) ；多孔 介质流；化工反应流：煤粉燃烧、气态燃料燃烧、油雾燃烧、多种燃料混 合及多氧化流燃烧( 如燃烧器、分解炉、烘干炉等) ；爆炸、爆燃和着火( 如 煤粉仓的爆炸与防治) ：搅拌反应釜；环保( 气体、水污染的扩散与防治、脱 硫等) 1 2 7 】。 c f d 分析研究可以提供工程设计、生产管理、技术改造中所必需的参 数，如流体阻力( 阻力损失) ，流体与固体之间的传热量( 散热损失等) ，气体、 固体颗粒的停留时间，产品质量，燃烧程度，反应率，处理能力( 产量) 等综 合参数以及各种现场可调节量( 如流量、温度、组分等) 对这些综合参数的影 响规律性。还可以提供流动区域内精细的流场( 速度矢量) 、温度场、各种与 反应进程有关的组分参数场，通过对这些场量的分析，发现现有装置或设 计中存在的不足，为创新设计、改造设计提供依据。相当于足一个通用的、 多功能的大型冷、热态试验场( 数值试验) 【2 踟。 4 第1 章绪论 1 4 2c f d 软件在搅拌槽中的应用及发展 将c f d 方法应用于研究搅拌器反应内的搅拌混合过程的时间还不算 长，可以追溯n 2 0 世纪7 0 年代，但是却给这一领域的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的研究尚未形成完整 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 验设计放大方法的可靠性越来越受到人们的质疑。c f d 方法正是顺应这种 趋势而在搅拌混合过程的研究中得到广泛应用的，因为用数值方法可以方 便地对新型的设备，操作状况进行模拟，可以整体考察搅拌器内的情况， 也可以方便地获得搅拌槽内的局部信息，并使预测结果可视化，这样就避 免了经验方法中繁复的实验过程，对搅拌反应器的设计优化及放大提供更 加可靠的依据和详尽的参考信息。 近年来c f d 技术的发展都可以从在搅拌反应器的应用中体现出来。搅 拌反应器中的流动场是非常复杂的，从数值模拟的观点来说，模拟搅拌反 应器所面临的挑战是由液面、槽壁和挡板、搅拌桨和搅拌轴所围出的流动 域的形状是随时间变化的，这是与化工过程中其他反应器的一个差别。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”模型法，动量源法，内外迭代法，多重参考系法，滑 移网格法等。 ( 1 ) “黑箱”模型法从c f d 开始应用于搅拌槽直到现在，“黑箱”模 型法的应用一直很普遍。该方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。h a r v e y t 2 9 ) p 0 1 第一次采用这种方法计算了涡轮搅拌桨的二维流 动场，并与实验数据作了对比。在循环区计算结果和实验数据基本吻合， 但叶轮附近及槽底部区域预测结果与实验数据差别较大，预报结果的差异 主要足由于过于简化的假设而引起的。m i d d l e t o n 3 h 首先报道了搅拌槽内三 e 燕山大学工学硕士学位论文 维流动场的数值模拟。除了进行流动计算外，他们还模拟了一个连续一竞争 反应体系。利用3 0 升与9 0 0 升的两个几何相似的搅拌槽证明了按传统的放大 准则会造成产品产率下降。r a n a d e 3 2 l 【3 3 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。第一 种方法将桨叶区看作由两组平面围成，垂直面和水平面。在两组平面上均 定义速度u ，、u 。，湍流动能k 和耗散率的分布，平面内部的流动场不再计 算。第二种方法仅仅在垂直平面上定义边界条件，计算在整个区域内进行， 包含桨叶内部区域。速度分布采用抛物线型分布，最大径向和切向速度均 为0 7 v 湍流动能根据自己的实验确定，耗散率采用w u f 3 4 】的。计算结果 表明，第二种方法的计算结果较好。由此他们发现采用“黑箱”模型时存 在的缺点，即由实验数据给定的边界条件一定要满足桨叶扫过区域的守恒 方程。f o k e m a 【35 】利用商业软件f l o w 3 d 计算了斜叶涡轮桨的流动场。计算 采用k 模型，桨叶边界条件的数据来自k r e s t a 【3 6 1 。桨叶被看作一个带有 “i n l e t s ”的薄板，在其上下两个表面定义相同的速度和湍流参量。采用两 套不同离底距离下的实验数据做边界条件进行了计算，同时考察了将两套 边界条件数据交叉使用所产生的影响。结果发现边界条件对计算结果有严 重影啊。因此，他们得出结论，不存在通用的桨叶边界条件，即一套桨叶 区边界条件只能用于和该条件几何相似的体系。同时他们还发现，改变边 界条件中的速度只对计算中的速度场有影响，对k 和的分布影响很小；相 反，改变边界条件中的湍流参量只影响湍动场，对速度场没有影响。 “黑箱”模型法曾经对搅拌槽内流动场的研究产生过重要作用，但是 从上面的分析我们会发现，“黑箱”模型法存在很大缺陷：边界条件的确 定一般离不开买验数据；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。受这些条件的限制，c f d 仍然不能成为独立的设计工具， 还需要一定的实验工作来配合。 ( 2 ) 动量源法为了避免桨叶区边界条件的限制，研究者开发了许多新 的方法以实现对搅拌槽内流动场的整体模拟。基于搅拌桨叶区流体流动分 析，p e r i c l e o u s l l 3 ”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。他们利用 6 第1 章绪论 p h o e n i c s 软件模拟了单层、多层六直叶涡轮二维速度场分布，模拟计算 结果与实验结果基本相近。 ( 3 ) 内外迭代法b r u c a t o 口8 j 借助“黑箱”模型成功的经验，提出了“内 外迭代法”。将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，外环包括静止挡板等。首次计算在内环内进行，采用旋转坐标系， 由此得到整个内环内的流动场，因而也得到了内环边界上的速度，湍流动 能和耗散率。仿照“黑箱”模型的方法，以该边界上的值作边界条件就可 以对外环进行计算，计算在静止坐标系下进行。这样一次计算完成后，整 个搅拌槽内的流动场就得到了，但这并不足最终的收敛结果。由外环计算 得到了外环边界上的速度，湍流动能和耗散率，再以此做边界条件对内环 作第二次计算。按相同的方法，再对外环作第二次计算。以此类推，直到 系统得到一个令人满意的收敛结果。需要注意的是，由于内环与外环采用 不同的参考系，两个边界上的速度，湍流动能和耗散率在进行信息交换时 需要进行修正。他们利用这种方法计算了涡轮搅拌桨的流动场，并与实验 结果进行了比较，认为该方法是成功的。b r u c a t o 【3 9 】利用该方法研究了网格 数对单层直叶涡轮搅拌桨流场的影响，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。内外迭代法与滑移网格法均能够 成功预报出三种不同的流动形式，计算合并流和分支流这两种流型时，内 外迭代法得到收敛结果要比滑移网格法快。“黑箱”模型法仅在具有实验 数据的平行流时得到了令人满意的结果，在其他两种情况下均不能得到正 确的结果，再次说明了这种方法的缺陷。 从上面的分析可以看出，内外迭代法比起“黑箱”模型法有了很大进 步，不再需要实验数据，实现了搅拌槽流动场的整体模拟，而且对某些搅 拌桨流动场的计算取得了成功，证明这种方法完全可以用于搅拌槽流动场 7 燕山大学工学硕士学位论文 的计算。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。 “) 多重参考系法( m r f ) l i l o 4 0 提出了一种稳态流动场的计算方法，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 算结果与实验数据吻合较好，说明这种方法是成功的。d o n g 4 h 用标准k 一 模型计算了无挡板搅拌槽内八叶平板涡轮的三维流动特性。计算结果与他 们的实验数据吻合较好，但在湍动强度较高的桨叶排出流区，计算值与实 验值有一定差异，他们将这种差异归结为标准k 一占模型的缺陷所致。 h a r v e y 4 2 1 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 a 澳, 0 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。 作为搅拌槽流动场计算的通用方法，m r f 方法被添加到了f l u e n t 软件中， 使得该方法的应用在近年来更加普遍。s y r j a n e n t 4 3 1 利用m r f 贲法研究了不同 网格数量下4 5 。斜叶涡轮桨的流动场。在高密度网格下，采用k 一模型和近 壁湍流模型，成功捕捉到了叶片所产生的尾涡，尾涡的形状、位置与实验 结果一致，但尾涡衰减很快。l a n e l 4 4 通过用户接口程序在c f x 4 2 软件上加 入了m r f 方法，并与软件具有的滑移网格法进行了计算比较。通过对时均 速度、湍流动能和耗散率的比较发现，两种方法所得到的结果基本一致， 对时均速度的预报与实验结果一致，而对湍流参量的预报都严重偏低。在 同样的计算条件下，m r f 方法的计算量却要小得多，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。 o s h i n o w o ( 4 5 1 用m r f 方法研究了搅拌槽内的切向速度。计算结果发现搅拌槽 内逆向漩涡的存在与计算中的收敛性、网格密度、湍流模型和m r f 方法边 第1 章绪论 界的选择有关。更严格的收敛判据，在桨叶区和叶轮排出流区所对的壁面 使用加密的网格，采用更复杂的湍流模型，如r s m 模型都可以获得更准确 的结果。 ( 5 ) 滑移网格法l u o t 4 6 1 提出了滑移网格法，这种方法与多重参考系法 网格划分方法相同，将计算域划分成分别包含旋转的桨叶和静止的挡板的 两个区域。所不同的是，采用滑移网格法时，在两个区域交界面处有网格 之间的相对滑动。他们在s t a r c d 软件中采用这种方法计算了六直叶涡轮 的流动场，并与实验结果和一种稳态计算结果进行了比较，该方法的结果 较好。j a w o r s h k i 4 7 1 用f l u e n t 软件和滑移网格法计算了六直叶涡轮的流动 场，并与他们角度分解的l d a 实验结果进行了对比。计算还比较了标准k s 模型与r n gk 一模型的计算结果。两种湍流模型对速度分布和流动特性， 如排出流量准数，功率准数的预报都比较好，但是对湍流动能的计算两者 都偏低，而且标准k 一模型的结果要比r n gk 一模型的结果要好。 b r u c a t 0 1 3 9 1 利用f l o w 3 d 软件计算了六直叶涡轮的流动场，同时与“黑箱” 模型和内外迭代法的计算结果进行了比较和分析。滑移网格法的计算结果 要比其他两种方法的计算结果好，但是对叶轮区湍流动能的预报仍然偏低。 滑移网格法还存在着计算工作量大，后处理过程复杂的缺陷。j a w o r s k i 【4 剐 利用f l u e n t 软件研究了双层直叶涡轮搅拌桨的混合时间。 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。 1 4 3c f d 软件在搅拌槽中应用的最新发展 ( 1 ) 从结构化网格向非结构化网格的转移随着计算机能力的不断提 高，以及在湍流模型和计算方法等方面的不断完善，尤其是大型通用c f d 软件的日趋成熟，c f d 方法用于研究搅拌槽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，在研究搅拌槽内的 流动方面，c f d 的最新进展主要体现在以下几方面：在c f d 研究中，对几 何体进行造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 9 燕山大学t 学硕士学位论文 间一般比较长，对于工业的c f d 项目，有超过5 0 的时间是花费在这个过程 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。然而要对复杂几何构型进行结构化网格划分是非常困难的，有时 甚至足不可能的。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。结构化网格在很大程度上限制了c f d 在工业中的应用。近年来人们逐渐重视研究另一类网格一非结构网格。非结 构网格的基本思想基于如下假设：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、形状及网格点的位置，因此比结构网格具有更大 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及面； 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；且其 网格中一个点周围的点数和单元数都足不固定的，可以方便地作自适应计 算，合理分布网格的疏密，提高计算精度。正因为如此非结构网格技术在 8 0 年代末和9 0 年代初得到了迅速的发展。 ( 2 ) 大涡模拟对湍流问题最真实的描述是直接求解n s 方程，也即直接 数值模拟( d n s ) 。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距离。现在工业研 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，k 一占模型的应用足最广泛的。k 一占模型不仅形式 简单，而且成功解决了许多复杂流动问题，因此备受工程研究者的喜爱。 但k 一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槽内三维流动场的研究。其中大涡 模拟是研究的一个前沿领域。大涡模拟方法最早是由气象学家提出的，所 研究的问题是全球天气预报问题。后柬这种方法被应用于解决工程问题。 1 0 第1 章绪论 大涡模拟的基本思想是把包括脉动运动在内的湍流瞬时运动通过某种滤波 方法分解成大尺度运动和小尺度运动两部分。大尺度量通过数值求解运动 微分方程直接计算出来：小尺度运动对大尺度运动的影响将在运动方程中 表现为类似雷诺应力一样的应力项，称之为亚格子雷诺应力。他们将通过 建立模型来模拟，称为亚格子尺度模型( s u b g r i ds c a l em o d e ) 。在一定的意义 上，大涡模拟是介于直接数值模拟与一般模式理论之间的折衷物。 r e v s t e d t l 4 9 】利用大涡模拟研究了直叶涡轮搅拌桨的流动场。利用滤波函 数对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。搅拌桨运动所产生的效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，主要是由于对 桨叶行为的描述不太准确造成的。与r a n s 方法相比，l e s 的优点是： s m a g o r i n s k y 亚格子模型只有一个经验常数c s ，然而r a n s 的封闭模型一般 需要5 蛰j 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 显区分，有助于对尾涡系统的分辨。计算的速度场及湍流动能与实验结果 一致，对尾涡发展的预报也非常准确。但对桨叶处切向速度预报偏高约1 5 ， 原因可能足在亚格子模型中忽略了固体壁面，以及空间精度的欠缺。对湍 流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，主流 体区域低。在桨叶区，排出流区和主流体区的耗散分别占总能量耗散的1 8 ， 6 0 和2 2 。 b a k k e r l 5 0 利用f l u e n t 5 提供的大涡模拟方法初步计算了直叶涡轮( r t ) 和斜叶涡轮( p b t ) 搅拌桨的流动场。对于搅拌桨叶的运动采用滑移网格法进 行处理。计算结果与p i v 实验结果进行了比较，计算结果显示，在不同时刻 p b t 的流场呈现不同的状态，有时是对称的，有时是非对称的。这种流型振 荡的频率比桨叶旋转的频率要低得多。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得多。对直叶涡轮流场中尾涡的预报与 实验结果一致。 1 4 4 在本课题中使用的层流搅拌槽混沌混合c f d 简介 本文运用f l u e n t 软件对同心六叶片叶轮，转轴相对于叶片偏心的六叶 燕山大学工学硕上学位论文 片叶轮，转轴叶片都相对于桶偏心的六叶片叶轮，同心三叶片叶轮这四种 不同情况下的三维流场进行了仿真模拟，并对结果进行了处理和分析。并 和实验所得到的结果相对比，由此证明了在几何结构和几何分布非对称的 情况下，流体的搅动效果要强于几何结构和分布对称的情况，混合的效果 更好。用层流混沌效应的理论对混合效果的增强做出了解释。 1 5 本课题来源及主要研究内容 1 5 1 本课题来源 本课题的来源为河北省自然科学基金资助项目。项目名称为：层流搅 拌槽内三维混沌混合机理及其应用研究。项目编号为：e 2 0 0 5 0 0 0 3 3 3 。 1 5 2 主要研究内容 ( 1 ) 对计算流体力学( c f d ) 仿真技术的原理及应用进行介绍，研究计算流 体力学( c f d ) 仿真技术在层流搅拌槽混合中的应用。 ( 2 ) 使用c f d 仿真软件对无挡板搅拌槽内的三维层流混和进行仿真和模 拟。模拟了以下四种不同情况下的三维层流流场：同心六叶片叶轮，转轴 相对于叶片偏心的六叶片叶轮，转轴叶片都相对于桶偏心的六叶片叶轮， 同心三叶片叶轮，并对所产生的三维混沌混合流场的特性进行流动分析、 数值计算，充分认识由于几何形状和几何分布的非对称性诱发层流搅拌槽 内三维混沌混合的机理，为非对称三维混沌混合搅拌槽的设计提供依据。 ( 3 ) 按照实验要求设计实验装置和实验方法，并进行实验。然后就三种 不同的情况下得到的结果进行分析及对比，定性的验证了先前提出的层流 搅拌槽内运用叶轮运动的非周期性来增加对搅拌槽中层流流体的搅动，诱 发三维混沌混合现象，破坏搅拌槽中不利于充分混合的隔离层的生成，从 而提高混合效率这一理论的正确性。提出了在工业上能够比较容易实现的， 能够有效的提高搅拌槽内高粘度层流液体的混合效率的方法。 1 2 第2 章c f d 仿真技术原理介绍 第2 章c f d 仿真技术原理介绍 流体流动现象大量存在于自然界及多种工程领域中，研究流体流动规 律的手段有三种：理论分析法、实验测量法以及数值计算法，他们三者之 间构成一个完整的体系。 2 1 计算流体动力学介绍 计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s 简称c f d ) 是通过计算 机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系 统所做的分析。c f d 的基本思想可以归结为：把原来在时间域及空间域上 连续的物理量的场，如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量 值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量 之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值【5 ”。 c f d 可以看作是在流动基本方程( 质量守恒方程、动量守恒方程、能量 守恒方程) 控制下对流动进行的数值模拟。通过这种数值模拟，我们可以得 到极其复杂问题的流场内各个位置上的基本物理量( 如速度、压力、温度、 浓度等) 的分布，以及这些物理量随时间的变化情况，确定旋涡分布特性、 空化特性及脱流区等。还可据此算出相关的其他物理量，如旋转式流体机 械的转矩、水力损失和效率等。此外，与c a d 联合，还可进行结构优化设 计等。所以一般对工程中的流体流动、传热、燃烧、化学反应、多相流等 的数值预测及工程应用一般简称为c f d 技术。c f d 技术总的来说是随着计 算机技术及数值计算方法的发展而形成的一门新兴的学科。 2 1 1c f d 技术的典型特点 c f d 技术是一门新起的学科，有着许多的独特的特点。流动问题的研 究一赢以来都是个难点，有很多的问题都没有办法通过理论的方法来求得 清楚的答案，这是因为描述流动问题的数学模型特别的复杂，很多的情况 下都是由非线性的偏微分方程来描述的，加上所要研究的自变量也很多而 1 3 燕山大学t 学硕士学位论文 且他们之间常常是耦合的。还有一个原因就是流动的空间也就流场经常足 复杂多变的，这就是说要求我们进行计算的区域又是很复杂的，所以很难 求的流场的解析解。而高速电脑出现以及先进的计算方法的应用为解决这 些问题提供了一个平台，也就是说c f d 技术的一个特点就是解决了一些理 论分析中存在的难点，使流体力学的理论分析和工程实际应用相结合。再 者，c f d 在仿真计算的过程中只需要改变所建立的模型或改变计算的条件 如边界条件与初始条件的数值就可以改变整个流动的情况，所以它的第二 个特点就是节省了研究的时间和经费，减短了研发的周期。另外，c f d 的 研究有较多的灵活性，能给出详细和完整的资料，很答易模拟特殊尺寸、 高温、有毒、易燃等真实条件和实验中只能接近而无法达到的理想条件。 对于一些高温，密封等特殊的不可见的内部流场我们也可以用c f d 进行仿 真得出直观可视化模拟