（机械设计及理论专业论文）发酵搅拌罐流场分析与结构优化.pdf

摘要 摘要 本文研究内容来源于国家8 6 3 项目：高浓度发酵液的提取技术及味精清洁生产，项 目编号：2 0 0 6 a a 0 2 0 3 0 3 0 2 。 流场分布和功率消耗是考察搅拌罐性能的两个重要参数，本文以实际生产中的发酵 搅拌罐为原型，应用数值计算方法，对搅拌罐内流场进行数值分析并对其结构进行优化， 其主要研究内容及结论如下： ( 1 ) 对有、无导流筒搅拌罐内流场模拟结果进行对比分析。结果表明，导流筒与叶轮 的配合强化了搅拌罐内上下液体的整体轴向流动，产生较强烈的混合效果；有导流筒的 情况下，近浆区液体跟转现象得到改善，罐内流场较为理想；搅拌功率消耗比无导流筒 搅拌罐节省1 2 。 ( 2 ) 对带导流筒的单层桨搅拌罐内流场模拟结果进行对比分析，得到较好的结构参数 组合。优化后，搅拌罐内形成较为规整的轴向流，流场较为理想。 ( 3 ) 研究不同搅拌器转速对流场和功率消耗的影响。结果表明，搅拌器转速增加后， 罐内流型变化不明显，只是相同位置的液体轴向速度增大；搅拌器转速增加一倍，功率 消耗增加近三倍。 ( 4 ) 对单层桨、双层桨搅拌罐内流场模拟结果进行对比分析发现：双层桨搅拌罐搅拌 功率比单层桨搅拌罐增加t 7 0 ，但罐内流场分布情况较好，有效混合体积较大。此外， 对不同桨间距的双层桨搅拌罐内流场进行研究，结果表明：适当增加桨间距是有利于提 高混合效果并降低功耗的。罐内流场的实验测量结果与模拟结果较为吻合。 本文研究结果对工业发酵搅拌罐的优化具有一定的参考意义。 关键词：搅拌罐导流筒流场数值分析 a b s t r a c t a b s t r a c t t h i sp a p e ri sap a r to ft h er e s e a r c hp r o j e c t ：e x t r a c t i o no fh i g hc o n c e n t r a t i o n f e r m e n t a t i o nl i q u i da n dc l e a np r o d u c t i o nt e c h n o l o g i e so fg l u t a m a t e ，s u p p o r t e db ys t a t e 8 6 3p r o j e c t ( n o 2 0 0 6 a a 0 2 0 3 0 3 - 0 2 ) t h ef l o wf i e l dd i s t r i b u t i o na n dp o w e rc o n s u m p t i o na r et w oi m p o r t a n tp a r a m e t e r sf o r i n v e s t i g a t i n gt h ep e r f o r m a n c eo f s t i r r e dt a n k b a s e do nt h ep r o t o t y p eo fa l la c t u a l f e r m e n t a t i o ns t i r r e dt a n k , t h i sp a d e rc a r r i e do u tt h ef l o wf i e l da n a l y s i sa n ds t r u c t u r a l o p t i m i z a t i o nb yu s i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o n s t h em a i nr e s e a r c h e sa n dc o n c l u s i o n sa l ea s f o l l o w s ： ( 1 ) a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i sa n dc o m p a r eb e t w e e nt h es t i r r e dt a n kw i t ha n dw i t h o u t d r a r t u b et h r o u g ht h es i m u l a t i o no ff l o wf i e l d f i n dt h a tu n d e rt h ec o o p e r a t i o no fi m p e l l e r s a n dd r a f t t u b e t h ef l o wi nt h ea x i a ld i r e c t i o nh a sb e e nr e i n f o r c e d ，a n dt h em i x t u r ee f f e c to f f l u i d sa r r a n g i n gi nt h eu p p e rl a y e ra n dl o w e rl a y e rr e s p e c t i v e l yh a sb e e ni m p r o v e de v i d e n t l y a tt h es a m et i m e t h el i q u i dn e a rt h ei m p e l l e rn ol o n g e rr o t a t ea l o n gw i t ht h ei m p e l l e r a sa r e s u l t t h ep o w e rc o n s u m p t i o no fm i x t u r eh a sb e e nd e c l i n e db y12 c o m p a r e dw i t ht h e s i t u a t i o nw i t h o u tad r a f t t u b e a n dt h ef l o wf i e l di nt h et a n kh a sb e c o m ea ni d e a lo n e ( 2 ) a f t e rt h ea n a l y s i so fm a n yg r o u p so fs t r u c t u r e sb yc h o o s i n gs t r u c t u r ep a r a m e t e r s , t h e r ea r es o m es a t i s f i e dc o m b i n a t i o n sa m o n gt h e m i nt h e s ec o n d i t i o n s ，t h ef l o wf i e l di nt h e t a n kh a sb e e nai d e a lo n et h a tf l o w si nai n e r r a t i cw a y ( 3 ) t h er e s e a r c h e sa b o u tt h ei n f l u e n c eo fi m p e l l e rr o t a t i n gi nd i f f e r e n ts p e e da n dt h e d i f f e r e n c ei np o w e rc o n s u m p t i o nh a v eb e e nc o n d u c t e d a c c o r d i n gt oo u rc o n c l u s i o n ，t h e i n c r e a s eo ft h er o t a t es p e e do fi m p e l l e ri n c l i n et ol i t t l ec h a n g ei nt h ef l o w i n gp a t t e r no ft h e f l u i d si nt h et a n k h o w e v e r , t h ep o w e rc o n s u m p t i o nw i l lt r i p l ei fd o u b l i n gt h er o t a t i n gs p e e d o fi m p e l l e r ( 4 ) c o m p a r e dw i t hs i n g l e - p a d d l es t i r r e dt a n k ，t h ep o w e rc o n s u m p t i o no fd u a l p a d d l e s t i r r e dt a n ki n c r e a s e sa sm u s ha s17 0 ，b u tab e t t e rf l o wf i e l dd i s t r i b u t i o nc o m e so u t ，w i t h l a r g e re f f e ：c t i v em i x e da r e a i na d d i t i o n , a f t e rr e s e a r c h i n gt h ed i f f e r e n c eo ft h ef l o wf i l e d o w i n gt od i f f e r e n td i s t a n c eb e t w e e nt w op a d d l e so ft h ed u a l p a d d l es t i r r e dt a n k ，t h er e s u l t s s h o wt h a t ：a na p p r o p r i a t ei n c r e a s ei nt h ed i s t a n c ei sc o n d u c i v et oi m p r o v et h em i x i n ge f f e c t a n dl o w e rp o w e rc o n s u m p t i o n a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r em o r ei nl i n ew i t ht h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t s t h ec o n c l u s i o n so ft h i sp a p e ra r eu s e f u lf o rs t r u c t u r eo p t i m a ld e s i g no fi n d u s t r i a ls t i r r e dt a n k k e y w o r d s ：m i xt a n k ；d r a f t - t u b e ；f l o wf i e l d ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 符号说明 _ 一一 符号说明 m c t z n e r 常数 坐标旋转角速度( r a d s ) 径向速度( m s ) 切向速度( m s ) 雷诺数 搅拌轴力矩( n m ) 转速( r p m ) 搅拌功率( w ) 罐体直径( m ) 罐体高度( m ) 液面高度( m ) 桨叶直径( m ) 叶宽( m ) 倾斜角( 。) 叶片数 挡板数 挡板宽( m ) 密度( 埏i n 3 ) 黏度( p a s ) 重力加速度( 州s 2 ) 多普勒频移 激光光源频率( h z ) 接收光波频率( h z ) 粒子运动速度( r n s ) 传播方向 光波波长 咚 缈 v 甜 疋心 疗 p d q 日 乃6 秒 m m 眠 p n g 厶 厂 五 u ， 见 符号说明 桨叶安装高度( m ) 导流筒内径( 哟 导流筒自身高度( r n ) 导流筒安装高度( m ) 分流简内径( m ) 分流筒安装高度( m ) 液面高度( m ) 桨间距( m ) 模拟速度( m s ) 实验速度( m s ) c 4 啊q 吐g z 万 t 巧 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： 董，丕墨 日 期： 坦z 。臣 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： 导师签名： 日 期： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 概述 发酵可定义为利用微生物把一种物质转化为另一种物质，主要在下列各种行业中 应用；制药工业、啤酒工业、燃料酒精工业、酵母生产工业、酶类生产工业、蛋白质 衍生物和碳氢化合物工业。发酵搅拌罐是发酵过程中非常重要的设备。从混合的观点 来看，发酵罐内涉及气体分散、固体悬浮、传热和混匀等作用。目前，已有多种形式 的反应器用于生化反应的流体混合，但机械搅拌式反应罐由于其搅拌器结构多样、操 作范围宽，在生物技术实验室及工业领域始终占着主导地位吐 由于大多数发酵过程都是在受到氧气限制的条件下进行的，因此直接影响传质 能力的气体分散作用通常是控制因素。由于在操作周期中的大部分时间内都要把空气 引入发酵的料浆中，所| 三【一般发酵罐的尺寸都是根据在通气条件下的操作而确定的啪。 在每批物料生产的开始和结束的时候，要把发酵罐中的物料加热到大约1 2 0 c 以杀死 其中的全部微生物。通常采用双速电动机以使不通气的操作在较低的搅拌速度下进行， 在某些情况下也可采用变速装置。 壁峨控制# ：谢：庶p 伸蚓蝰剃一 w k 一一无 故。 ( & ) 罐体外形目( b ) 自部日目 图i i 发酵搅拌罐结构图 f i g1 - 1s t r u c t u r e o f f e r m e n t a t i o ns t i r r e d t a n k 发酵搅拌罐结构如图卜1 所示。罐体是由筒体和两个封头组成，它的作用是为罐 内物料进行化学反应提供一定的空问。搅拌装置的作用是使参加反应的各种物料很好 地接触而加速化学反应的进行。对于有氧发酵，最重要的问题通常是从空气到发酵料 浆中氧的传递。发酵罐必须提供一个良好的有氧环境以满足微生物呼吸速率的要求。 氧的传质能力过小将会阻碍微生物的活动能力，而过大却只能增加浆料中无用的溶解 氧。由于每种发酵作用都有其独特之处因此要对搅拌罐的最佳结构进行仔细的研究。 尊 江南大学硕士学位论文 1 2 搅拌罐基本结构 对于不同发酵作用的搅拌罐，其内部结构也不同。带导流简的搅拌罐最初出现于 制铝工业，是由巴秋卡槽发展而来的。2 0 世纪7 0 年代以来，这种具有特殊结构的搅 拌罐己广泛应用于结晶、选矿、问歇浸取、污水处理以及聚酯工业中。无论罐与叶轮 的类型如何，液体总是从各个方向流向叶轮的。在需要控制返回流的速度和方向以便 在搅拌物系中确定某一特定流型的时候，可以使用导流筒。 图卜2 搅拌桨图 f i 9 1 0s t i r r i n g p a d d l e f i g 搅拌器的种类繁多，常见的有数十种，如图卜2 所示是常用的搅拌叶轮。对于螺 旋桨搅拌器，导流筒套在叶轮的外面，对于涡轮搅拌器，导流筒则刚好置于叶轮的上 方。使用推进式搅拌器和导流筒的搅拌罐结构如图卜3 。导流筒是用于引导流体进入 和进出的圆形导管，其作用在于提高混合效率和减少设计上的困难。导流筒的尺寸需 要根据具体化工过程的特殊要求决定，一般地导流筒须将罐内截面分成面积相等的 两部分，即导流筒的直径约为搅拌罐直径的7 0 。 图卜3 带导流筒搅拌罐结构简图 f 1 3s t r u c t u r e o f f e r m e n t a t i o ns t i r r e d t a n k w i t h d r a f t - t u b e 由于导流筒改善了入口流速分布使之更加均匀，因此显著地降低了叶轮所受载 荷的变化，因而作用在导流筒中叶轮上的流体作用力有明显的降低。根据有限的试验 结果，导流筒中的流体作用力比相同无导流简槽中的流体作用力要小2 0 。叶轮上方 2 第一章绪论 生成漩涡的任何趋势都将增加流体作用力，故在搅拌设计中，必须采取预防措施保证 在叶轮上方有足够的液体覆盖深度。图卜3 所示，搅拌罐结构内导流筒中装有轴向流 叶轮，若使用向下泵送流体( 下压式叶轮) ，而在环室中产生向上的回流，若使用向上 泵送流体( 上提式叶轮) ，则在分流筒和导流筒之间环隙形成向下的流动。上提式结构 中导流筒的吸入端在槽底，并且由于只需要使导流筒内的固体悬浮起来，因而总的流 量可以低很多。 使用导流筒一方面提高了对筒内流体的搅拌程度，加强了叶轮对液体的直接机械 剪切作用，同时还确定了充分的循环流型，使槽内物料可以通过导流筒内的强烈混合 区，提高了混合效率。另外，由于限定了循环路径，减少了短路机会。尤其是在高粘 度流体以及固液悬浮体系的液面与槽底物料的混合过程中，特点尤为突出。在搅拌桨 距液面高度与槽体直径之比较大的场合，使用叶轮进行混合时，加导流筒可以实现槽 顶到槽底的良好混合。目前可采用的各种混合装置中，这种装置的特点就是单位功率 消耗产生的流量较高。 1 2 1 流动型态 搅拌罐中的对流或循环流动通常对搅拌器的效率和产品质量两者都有影响。导流 筒内外液体的湍流程度不同，因此导流筒在搅拌槽中建立了两种不同程度的流体剪切 区域，若导流筒内外的流通截面积不等，则又造成两个不同的循环流动速度。导流筒 减小了叶轮上下两侧受到的流体作用力的不均衡性，使轴的受力均衡状况上有了改善， 因此往往可以减小轴的尺寸。不过，企图用导流筒增大混合速度则是无益的，因为它 对混合时间的影响是很小的。导流筒的存在显然增大了系统内的流体阻力，因此在外 加功率一定时将减小流动速率【3 1 。 1 2 2 搅拌功率 搅拌器的功率与罐内造成的流动状态有关，所以影响流动状态的因素必然也是影 响搅拌器功率的因素，主要包括如下四种：( 1 ) 有关搅拌叶轮的因素，包括叶轮直径 d j 、叶宽b 、倾斜角0 、转速刀、单个叶轮上的叶片数以及叶轮距离罐底的安装高度 c 等；( 2 ) 有关搅拌罐的因素，如罐形和罐体直径d 、液深h 、导流筒、挡板数m 、挡 板宽w b ；( 3 ) 有关被搅液体的因素，如液体的密度p 、黏度r l ；( 4 ) 重力加速度g 。 搅拌器功率的影响因素如此之多，使研究工作很困难。要弄清楚因素与功率的关 系，目前都是采用相似论和因次分析的方法，它可以将有关的大量几何变量、操作变 量和物理变量转换成少量有意义的可作为设计基础的无因次数群。功率p 是搅拌周的 转速和所加扭矩的乘积： 肚警= m zd ! 讲= m z o ) - m z7 j r _ u n n ( 1 - 1 ) 式中，m ：是力对转轴z 轴的矩，可根据f l u e n t 力矩报告功能求出叶轮对旋转轴z 向 的力矩，n 是转速。 3 江南大学硕士学位论文 1 3 流场测量方法 流体流速的测量方法分为接触法和非接触法。接触法主要包括毕托管法、热膜风 速仪法等。非接触法有纹影照相法、粒子成像法( p i v , p a r t i c l ei m a g ev e l o c i t y ) 和激光多 普勒测速仪( l d v , l a s e rd o p p l e rv e l o c i t y ) 等。毕托管法是一种经典、成熟的方法，但它 干扰流场，压力信号响应迟缓。纹影照像法虽不干扰流场，但不具有实时性，操作繁 琐，信息处理时间长。1 9 1 4 年出现的热膜风速仪，曾经为流动测量特别是湍流研究做 出了卓越的贡献。热膜风速仪的测速范围广，采样频率宽，动态响应好。这项技术最 大的缺点是接触式测量，对流场有较大干扰，而且对流体速度方向不太敏感，应用范 围受到一定限制。下面对三种常见的测速技术进行简单介绍。 1 3 1 激光多普勒测速技术( l d 1 9 世纪8 0 年代以来，随着电子技术的发展和光学系统的改进，激光多普勒测速 技术逐渐成为研究负责湍流的有力测量工具，并且随着研究的深入，l d v 技术开始步 入成熟阶段，应用范围也逐渐加宽。激光多普勒测速是通过流体中示踪粒子运动速度 反映自身运动速度的点测量仪器，其基本原理如图1 - 4 所示。 l 流体方i * - j 图卜4l d v 测速原理示意图 f i g 1 - 4l d vm e a s u r i n gp r i n c i p l ed i s t r i b u t i o nc h a r t 激光多普勒测速法是利用运动粒子散射光的多普勒效应测量粒子速度。该方法是 以测量流动中的粒子速度来近似当时当地的流体质点速度。波传播多普勒效应是指单 色波的频率在静止和运动参照系中的差别。当由一个静止的激光光源发出单色光照射 在一个运动微粒上时，微粒接收到的光波频率与光源频率会有差异。如果用静止的光 检测器来接收运动微粒的散射光，那么光波频率和光检测器接收到的光波频率之差即 为多普勒频移。根据下式就可得出粒子的运动速度： r ， f o = 厂一f o = 等( 1 - 2 ) l 式中，而为多普勒频移；厂为激光光源频率；f o 为检测器接收到的光波频率；u 为粒子 运动速度；，为传播方向；五为光波波长。 4 第一章绪论 与其他的测量技术相比，运用l d v 测量流场有其独特的优点：( 1 ) l d v 是一种非接 触式的测量系统，本质上不干扰和破坏流场，适合于易变流场、空间狭小流场、流体 为有毒或腐蚀性物质的流场、超高温流场、火焰流场等的研究。不受流体成分密度的 影响，尤其在气体、液体中含有固体杂质微粒时，也可以获得良好的测量效果，能适 应与多相流的研究。( 3 ) 用频移技术能判别流速的方向，能测量反向流，漩涡等复杂流 动。( 4 ) 测速范围广，从极地速度一直到超音速都能测量。( 5 ) 测量精度高，重复性好， 不受环境( 气压、温度、湿度) 的影响。( 6 ) 配上专门的部件就能实现旋转流场及周期性 变化的流场的研究，有重大的应用价值。 由于l d v 实现了非接触测量，而且可以同时测量三维速度的各分量，具有线性好， 空间分辨率高和快速动态响应等特点，以日益成为流速测量中的主要测试手段。近几 年来，随着激光测试技术的飞速发展，激光多普勒法( l d v ) 在国内已经广泛应用与搅拌 罐内流场的测量。国内浙江大学【4 j 、华东理工大学和北京化工大学等单位都在使用激 光多普勒测速仪开发或改进搅拌设备。 1 3 2 粒子成像测速技术( p i v ) 从2 0 世纪7 0 年代末兴起的激光散斑测速技术( l a s e rs p e c k l ev e l o c i t y , l s v ) ，近年 来逐渐演变为粒子图像测速技术( p i v ) 和粒子跟踪测速技术( p a r t i c l et r a c k i n gv e l o c i t y , p t v ) ，这些技术已成为当今动态速度场测量的主要手段。 测量平面 片 光 源 流场 _ - - - - 镜 c c d 感光元件 图卜5p i v 测速原理示意图 f i g 1 - 5p i vm e a s u r i n gp r i n c i p l ed i s t r i b u t i o nc h a r t p i v 是一种瞬态流动平面二维速度场测量技术，如图卜5 所示，其基本原理是在 流场中分散合适的示踪粒子，用脉冲激光片光( 1 a s e rs h e e t ) 照射所测流场剖面区域，通 过成像记录系统摄取两次或多次曝光的粒子图像，形成p i v 底片；再用粒子图像相关 方法逐渐点处理p i v 底片，获得每一判读点小区中粒子图像的平均位移，由此确定流 场剖面上多点的二维速度。 目前，p i v 技术可以在一个截面上测得瞬时1 0 0 0 5 0 0 0 个二维速度矢量，其精确 度约为1 ，可以与l d v 媲美。但在实际应用中存在着不少问题，其中主要是如何让在 不干扰流场，几何上部失真条件下照明流场和记录高质量的p i v 粒子图像。 1 3 3 电子过程断层成像技术( e p t ) 5 江南大学硕士学位论文 l d v 、p i v 是都属于光学仪器，只能在光学透明容器内进行测量，液体内不能有高 浓度的气泡和悬浮固体。8 0 年代后，英国u m i s t 大学开发了电子过程断层成像技术 ( e p t ) 。e p t 的原理与c t ( c o m p u t e rt o m o g r a p h y ) 相差不多。在被测罐或管道外壁等距 离贴附一组8 到1 6 只传感器一周，此传感器为长方形不锈钢电极片，即发射器又是接 受器。罐或管道内要有两种具有不同电性能的物料，然后在有规律的电脉冲作用下， 所有的相邻传感器组合的电压通过数据采集单元传送回计算机。计算机将记录所有电 极的信号和先后次序，并采用图像重建技术还原出罐或管道横截面的图像，如图卜6 所示。 s e n s o re l e t r o d e 图卜6 配置1 6 只传感器的e p t 系统 f i g 1 6e p ts y s t e mw i t h16s e n s o r s e p t 技术已经用于复杂的气液两相搅拌混合问题，可以获取搅拌罐内载气分布的 三维图象，直观了解混合流型如何影响传质和反映性能；还被用于固液悬浮体系的研 究，获得固体在搅拌罐内浓度分布。 测量搅拌罐内的流场试验装置一般都很昂贵，但是流场的测量是相当费时的，对于 测试的罐、流体和搅拌器都有严格的要求，对某些搅拌设备的流动场是无法用实验方 法得到的，因而具有局限性。近年来，国内外的研究学者都逐渐认识到应当把对搅拌 反应器的真正优化设计建立在流体力学研究的基础上，就是用计算流体力学来解析和 模拟流场。 1 4 国内外搅拌罐流场的研究现状 搅拌罐内的流场特性是对一个新型搅拌设备性能的最基本评价。搅拌罐内的流动 场模拟包括两部分：( 1 ) 搅拌桨叶内部流动场模拟；( 2 ) 桨叶以外主体循环区流动模拟。 国外对搅拌罐流场的研究较早，取得了较多的成果。a b i dm 【5 】等人对锚式桨和门式桨 在层流域的三维流动进行了数值模拟计算，他们采用s i m p l e r ( s e m i i m p l i c i tm e t h o d f o rp r e s s u r e l i n k e dr e v i s e d ) 算法，假设自由面为平面。计算结果表明，当没有水平拉 杆时，仅考虑二维模型就可以了。三维模型对二次流的模拟是十分有用的，并根据粘 性耗散计算了搅拌功率损耗，但与实验值相差甚远。r a n a d e 【6 】应用k s 模型对下压式 斜叶涡轮桨搅拌罐内流场进行了研究，并得到了与实验结果吻合较好的模拟结果。研 6 第一章绪论 究表明，网格尺寸对数值模拟的精确度有一定的影响，尤其在变量梯度大的区域。 国内对搅拌罐的流场认识，最初也是通过实验研究，常用的实验方法主要是粒子 成像测速p i v 和l d v ，这些测量手段一般比较昂贵，测量费用也较高，使用范围受到 极大的限制，所以对于通过这些模拟方法进行搅拌槽放大并无太大的实际意义。在本 世纪初开始，国内搅拌罐的数值模拟研究得到迅速发展。由于在此之前关于搅拌罐数 值模拟的计算方法已经比较成熟，主要包括“黑箱 模型法、内外迭代法、多重参考 系法及滑移网格法，并且比较好的方法已经被注入到c f d 软件中，如：s t a r - c d 、f l u e n t 、 c f x 、p h o e n i c s 等。因此，对于不同的研究对象，只要选取不同的湍流模型进行模拟， 并与实验结果比较。 显然，开始阶段国内在搅拌反应器的c f d 模拟方面与国外还有很大差距，这主要 是由于计算手段落后造成的。国外的研究已普遍采用商业软件，而国内许多研究还依 靠自行开发的软件。虽然如此，但还是取得了不少成果，国内研究的桨型也是从传统 的直叶涡轮、斜叶涡轮到各种新型的搅拌器，研究对象由开始的单相体系向多相体系 深入。周国忠等人在c f x 软件的基础上开发了用于混合过程计算的程序，并在流动场 计算的基础上对单层涡轮桨搅拌槽内的混合过程进行了初步的数值研究，在国内是首 次从c f d 的角度对搅拌槽内的混合过程进行了数值研究口1 ；侯拴弟利用l d v 和c f d 相 结合的方法，对稀疏固液两相体系进行了实验测量和数值模拟；钟丽等人利用商业软 件f l u e n t ，采取不同的方法对不同雷诺数月e 范围内的流场进行模拟，计算得到了标 准搅拌槽内标准六直叶涡轮的功率曲线3 。国内在搅拌器的研究开发方面也取得许多 进展。北京化工大学开发了c b y 系列搅拌器，并对各种工况下的流动场、功耗以及搅 拌器的受力等进行了系统的研究，而且已经将其成功的推广应用，取得了较好的经济 效益。华东理工大学开发了翼形桨，并提出采用组合桨阳，。 带导流筒搅拌罐起初应用与制铝工业的固液悬浮，2 0 世纪7 0 年代以来，关于带 导流简搅拌罐的研究前人已经做了很多工作。s h i u e 1 0 】使用四叶涡轮和二叶涡轮两种桨 型，对比了搅拌罐的功率消耗。结果表明，当达到一定的悬浮状态时，带导流筒搅拌 罐的功率消耗比无导流筒的搅拌罐节省2 0 3 0 。在国内，朱秀林等【i l 】对螺杆一导 流筒搅拌器的循环和功率特性以及混合时间进行了研究。在循环和功率特性的研究中， 测定了1 9 种不同几何尺寸的螺杆一导流筒搅拌器层流域的轴向循环流量、功率消耗和 m e t z n e r 常数k ，得出循环时间分布曲线可以用指数衰减函数表示成： p ( o ) ：e , p e - ：( o - o o ) ( 1 3 ) 提出了混合时间估算的关系式。天津大学也对导流筒搅拌罐进行了大量的研究工 作，得出了很多有参考价值的结论。另外，北京化工大学流体混合研究室【眩】近年来对 带有导流筒搅拌罐的固液悬浮也做了许多工作。 1 5 本文研究意义与目的 由于搅拌设备内存在复杂的流动现象，对搅拌设备的设计和放大目前仍主要依赖 7 江南大学硕士学位论文 于工程师的经验。实践证明，按经验设计优化的搅拌罐结构，有许多在实际上并不是 处于最佳状态【l3 1 。在美国，每年由于搅拌设备设计的不确定造成的经济损失达到数十 亿美元【1 4 l 。l d v 技术和p i v 技术虽然都能获得搅拌罐内精确的流场信息，但是流场的 测量是相当昂贵且费时的，对于测试的罐体、罐内流体和搅拌器都有严格的要求，对 某些搅拌设备的流动场是无法用实验方法得到的，具有很大的局限性。因此，对搅拌 罐结构的设计优化迫切需要建立更加可靠的准则。 要从本质上认识混合与流动，改变目前这种依靠经验来放大的现状，必须采用计 算流体力学( c f d ) 的方法来模拟不同几何尺寸和操作条件的搅拌罐中详细的流动和混 合特性，这是流体混合技术的发展趋势。近年来，国内外的研究学者都逐渐认识到， 应当把对搅拌罐的真正优化设计建立在流体力学研究的基础上，就是用计算流体力学 来解析和模拟流场，它将对搅拌设备的开发带来革命性的变化。 本采用以数值分析软件f l u e n t 对搅拌罐内流场进行模拟分析，研究结果对工业搅 拌罐的设计优化具有一定的参考意义。 1 6 本文主要研究内容 本文以实际生产中的发酵搅拌罐为原型，应用流体分析软件f l u e n t 对搅拌罐内流 场进行数值模拟并对其结构进行优化。主要研究内容包括： ( 1 ) 对有、无导流筒搅拌罐内流场模拟结果进行对比分析，研究导流筒对搅拌罐内 流场及功率消耗的影响。 ( 2 ) 对比分析不同结构参数组合情况下，带导流筒的单层桨搅拌罐内流场及功率消 耗，并对不同搅拌器转速的影响进行研究。由此对搅拌罐内导流筒、分流筒结构尺寸 及安装位置提出优化意见。 ( 3 ) 对单层桨和双层桨搅拌罐内流场进行数值模拟分析，对不同桨间距的双层桨搅 拌罐内流场进行研究。通过实验测量罐内流场与模拟结果对比，验证模拟的准确度。 通过这些研究工作，解决实际生产中发酵搅拌罐搅拌功耗大但混合效果差的问题， 并为以后搅拌罐的优化设计提供一定的依据。 8 第二章搅拌罐流场数值模拟技术 第二章搅拌罐流场数值模拟技术 搅拌混合是一种常规的单元操作，但由于其流动的复杂性，在迄今百年的研究历 史中，尚未形成完善的理论体系，对搅拌混合的研究以及搅拌设备的放大、优化设计 等方面经验成分往往多于理论计算。经验放大主要是基于单位体积功( p v ) 、剪切速率 ( n d ) 和混合时间相等原则，造成大量的浪费。要从本质上认识混合与流动，改变目前 这种依靠经验来放大的现状，必须采用计算流体力学的方法来模拟不同几何尺寸和操 作条件的搅拌罐中详细的流动和混合特性，这是流体混合技术的发展趋势。 2 1c f d 技术概况 计算流体力学( c f d ，c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 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。它具有一些实验测量所不具备 的优势，可以对实际设备通过计算的方式获得流动场的速度分布和湍流特性参数，是 迅速发展着的一种新的设计工具。 任何流体运动的规则都是由以下三个定律为基础的：质量守恒，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来描述，如e u l e r 方程、n s 方程。采用数 值计算方法，可以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 动空间常定或非常定流动规律，这一学科就是计算机流体力学。对于常定流动，其连 续性方程和动量守恒方程分别为【1 5 】： _ o a j - - - j ：0 ( 2 - 1 ) = () o 舅。 掣= 出考+ 耕矿o p 川 2 ， 上式为层流区的动量守恒方程，即著名的n a v i e r - s t o k e s 方程，它表示局部压力和局部 速度关系，加上连续性方程共四组方程四个变量，此方程组可解。对于湍流区，由于 存在流体的无规则湍流脉动，其时均化的动量守恒方程为： 掣= 艄考+ 计考+ p g ，+ f j4 挈 浯3 ， 增加一项为雷诺应力张量，其代表三个方向湍流脉动的相应函数。为了使方程可解， 除了传递过程还必须添加湍流模型来处理雷诺应力项。一般采用两方程的标准七一占湍 流模型来描述流体的湍流运动。先进的代数应力模型和雷诺应力模型则没有采用各向 同性湍流粘度假定：对于删一s 湍流模型，其所有模型参数的值均由理论推导得出。 其它还有大涡模拟模型和概率密度函数模型等，但选用不同模型适用的条件进行数值 9 江南大学硕士学位论文 模拟还有待进一步深入。 对传递过程的数值解法，其基本过程为先将偏微分传递方程离散化，变为代数方 程。常用的是有限差分法、有限容积法和有限元法。对于搅拌混合的模拟应用，采用 有限容积法能以较小的计算量获得较高的计算精度。而有限元法则需要非常庞大的内 存空间。从计算精度和易于使用的角度来讲，一般采用q u i c k 和二阶迎风格式来处理 差分。而对于两相流体系和普通方法不收敛时，可采用幂函数格式。 从6 0 年代开始c f d 技术已经被应用于航空工业中飞机、发动机的设计生产中。起 初，c f d 被认为是只适用于高科技工业，且只有经过特殊训练的专业人员才能使用n 引。 从8 0 年代至今，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，其应用领域更加广泛，比如航空、水力、电工、冶金、 生化工程等。 2 2c f d 数值模拟的过程 自1 9 8 1 年英国c h a m 公司推出关于求解流动与传热问题的商业软件p h o e n i c s 以后，迅速在国际软件产业中形成了统称为c f d 软件的产业市场。其它的求解流动与 传热问题的商业软件有f l u e n t 、f l o w 3 d 、c f x 、s t a r - c d 等。 所有这些模拟计算软件都主要包括三部分：前处理、解算器和后处理器。前处理 器的主要任务是生成网格定义边界条件，即为求解器定义参数。这一部分需要软件使 用者的参与最多，也是决定模拟成败的关键所在。前处理器需要做的工作有：定义计 算域并对计算域进行网格划分；定义求解问题的类型和选择合适的数学模型；定义流 体的物理性质；定义边界条件和初始条件等。对问题的求解是在每一个网格上进行的， 因此网格质量的好坏直接影响到计算结果的准确性。理论上讲，网格数越多，计算结 果越准确，但所需要的计算机内存也越高，计算时间也越长。所以，怎样在比较经济 的情况下又能满足计算精度的要求需要长时间经验的积累。比较理想的方法是采用非 均匀化网格，对所关心的区域网格加密。还有一种方法为自适应网格技术，已被多种 商业软件所采用。 解算器主要是离散和求解控制方程。求解过程涉及的内容最多，且多数为数学问 题。这一部分是衡量各种商业c f d 软件的关键。但是，在这一部分中软件使用者参与 的工作最少，所能做到仅是选择不同的算法和设定松弛因子等参数，使求解快速收敛 并能准确模拟实际情况。 后处理可以对计算结果进行显示和输出。随着计算机技术和图形技术的发展，求 解结果可视化功能愈来愈强大。它包括计算域和网格的显示、矢量图、等值线、云图、 动画功能、三维浏览器等，而且还有方便和多样化的文件输出形式。 本文以f l u n e t 软件作为计算模拟软件，在此将该软件的特点做简要的描述。由 美国f l u e n t 公司与1 9 8 3 年推出，是继p h o e n i c s 之后的第二个投入市场的基于有限体 积法的c f d 软件。它包含有结构化和非结构化网格两个版本。在结构化网格版本中有 1 0 第二章搅拌罐流场数值模拟技术 贴体坐标，同时还导入p a t 凡心、a n a s y s 、i - d e a s 及i c e m c f d 等专门生成网格的 软件来生成网格。湍流模型有标准k s 模型、r n g k 一占模型、r e y n o l d s 模型及大涡 模拟( l e s ) 等。它可以计算的物理问题有：定常与非定常流动、不可压缩及可压缩流 动、含有粒子液滴蒸发燃烧过程以及多组分介质的化学反应过程等。在其非结构化 网格的版本( f l u e n t u n s ) q ，采用控制体积有限元法( c v f e m ) ，在该方法中采用类似 于控制体积方法来离散方程，因而可以保证数值计算结果的守恒特性。1 9 9 8 年f l u e n t 公司推出了自己研制的前处理网格生成软件g a m b i t ，将f l u e n 删s 与r a m p a n t 合并为f l l 刀巳n t s ，它是目前应用较为广泛的c f d 软件7 1 。 2 3 搅拌罐内c f d 模拟的实现 从数值模拟的观点来看，模拟搅拌式反应器所面临的挑战是由液面、反应器内壁 和挡板、搅拌桨和搅拌轴所围成流域的形状是随时间变化的，这是与化工工程中其它 反应器的一个差别。为了解决静止的挡板和转动的搅拌桨之间的相对运动问题，国外 不同的研究者提出了许多不同的方法。一个完整的c f d 模型包括：所研究流域的本构 方程( 质量、动量和能量) ，反映所研究问题的辅助方程( 如湍流性质方程，描述流域 化学物质种类的方程，描述流域中固体粒子动力学、气泡分散的方程等) 。这些方法主 要有：“黑箱 模型法、内外迭代法、多重参考系法及滑移网格法。 2 3 1 “黑箱 模型法( i m p e l l e rb o u n d a r yc o n d i t i o n ，i b c ) 从c f d 开始应用于搅拌罐直到现在，“黑箱”模型法的应用一直很普遍。1 9 8 2 年 h a r v e r y 第一次采用这种方法计算了涡轮搅拌桨的二维流动场n 刀。“黑箱”模型法的特 点是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 式来替代，用时均的速度参量和湍流参量来代替实际的桨叶对流体的作用。边界条件 的数据一般靠实验方法获得。该方法的优点是稳态算法，计算工作量较小，且不需要 考虑桨叶部分的网格，因此处理简单。“黑箱”模型法曾经对搅拌罐内流动场的研究起 过重要作用，但也存在很大缺陷，主要是它的边界条件的确定一般离不开实验数据， 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。所以，受到这些条件的 限制，c f d 仍然不能成为完全独立的设计工具，还需要一定的实验工作来配合。 2 3 2 内外迭代法( 1 n n e r - o u t e rm e t h o d ，1 0 ) 1 9 9 4 年，b r u c a t o 借助于“黑箱 模型成功经验，提出了内外迭代法。这种方法 将计算域分成内环和外环两个重叠的部分。内环包括旋转的浆叶，外环包括静止挡板 等。内环内采用旋转坐标系计算，先得到整个内环内的流场动。仿照“黑箱 模型的 方法，用结构做边界条件对外环进行计算，计算在静止坐标系下进行。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。 h 硎s 【l8 j 利用这种方法计算了斜叶涡轮搅拌桨的流动场，b r u c a t o 四】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，同时，他们还计算了双层直叶涡轮搅拌桨 江南大学硕士学位论文 和一种轴向流搅拌桨的流场，m i c a l et 2 0 l n 用这种方法计算了不同桨间距下双层职业涡 轮搅拌桨的流场，计算结果都是成功的。 内外迭代法比“黑箱”模型法有很大进步，它不再需要实验数据，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，