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北京化工大学硕十研究生学位论文 双层桨搅拌槽内流动场的piv 研究 摘要 涡轮桨搅拌槽广泛应耀于化工、生物、石化、食品和制药等过程工业， 以强化单相或多相流体间的混合和反应，因此，其内部的流动特性对工业 设计及优化具有重要影响。本文采用p i v 测量技术对多种桨叶及流型下 搅拌槽志的流动特性进行研究，为其工业应用及优化设计提供指导和参 考。 本文在直径为o 4 7 6m 的平底有机玻璃搅拌槽内，保证液位高为1 4 倍槽直径，采用三对桨叶喜径分别为d 严0 3 3 td 2 = o 4 0 7 和d 严0 5 0 丁的 r u s h t o n 涡轮桨，利用高分辨率p i v 测试技术，对多种复杂流型下桨叶的 流场、平均速度、湍流动能和尾涡结构进行实验研究。其中通过改变桨叶 之闻的层间距和桨叶离底距离可以产生三种流型：平行流、合并流和分散 流。结果发现：三种桨叶，保持g 劫不变，岛o 4 0 正岛2o 3 8 f 和岛 o 3 2 丁情况下产生平行流；保持c l 印不变，c 2 竖0 3 8 z 岛茎o 3 6 r 和q s0 2 7 r 情况下产生合并流；当保持伤习不变，e is0 1 5 丁情况下产生分 散流。在同个搅拌槽中采用固定胎数计算胙o 3 ，o 4 ，o 。5 的桨平行流 时排量系数畅，下层桨的值分别为o 7 5 7 ，0 8 4 2 和o 8 9 4 ，上层桨的值分 别为o 。7 9 8 ，o 8 0 0 和o 8 2 0 ，由此可见，随着桨叶崖径的增加，上下层桨 间的相差值也在增加。同时还研究每隔l o o 分散流尾涡的变化，结果表明： 最大的湍动能出现在两个尾涡的中间，无因次化数值为o 1 2 o 1 5 。甚至大 l 艺衮佬王犬学矮：扛研究生学位谂文 于0 1 5 。 关键词：p i v ，双层桨，流场，流动类型 l l 北京化工大学硕十研究生学位论文 i n v e s t i g a t i o no ff l u i df l o wi nad u a l r u s h t o n 薹m p 嚣l l e rs t l r r e dt a n ku s l n gp l v a b s t r a c t s t i r r e dv e s s e l se q u i p p e dw i t hd i s cn l r b i n e sa r ew i d e l yu s e di nm a n y i 瑟曲s t 黟p 糊e e s s e s ，瓣c ha sp e 锄c 魏e 戚c a l ，b i o c h e 攥i c a l ，曲鑫魏a c 锚t i e 鑫l 勰蘸 f o o di n d u s t 够e t c ，s ot h eh y d r o d y n a m i c so ft h ef l o wi sv e 哆i m p o r t a n tf o r p r o c e s sd e s i g na n do p t i m i z a t i o n i nt h i sp a p e r ，d i 妇色i e n tf l o wp a t t e m si n v e s s e l ss t i 甜e db y 则l t 至p l ei 耀p e l l e 鲻w e r ei 鼗v e s t i g 鑫t e db y 毽s i 转ge x p e 蠢m e 是越 a n dc o m p u t a t i o n a lm e t h o d s t h ee x p e r i m e n t sw e r ec a r d e do u ti nap e r s p e xv e s s e lo fo 。4 7 6 mi n 击鑫辍或鼹弧ed 印 ho f 印w 采e fi s1 4 圭i 趱e st 羹跹也e 式鑫擞战糕o fm v e s s e l t h r c ep a i r so fi m p e l l e r sw e r eu s e di nt h ee x p e 订m e n t sw i t hd i a m e t e r so f d l = 0 3 3 正伤= o 4 0 ra n d 协= o 5 0 rr e s p e c t i v e l y t h em u l t i b l o c ka n d3 6 0 0 e 疆s e 糙b l e 一戳朔温g e d 印p 硒a e h e sw e 羚u s e di n 也ep 王v 越e a s u r e 嫩e m t 量l 抟o t y p i c a ln o wp a t t e n l s ，n a m e dm e 略i n gn o w ；p a r a n e ln o w a n dd i v e 唱i n gn o 、砺 w e r co b t a i n e db yc h a n g i n gt h ec l e a r a n c eo ft h el o w e ri m p e l l e ra b o v et h et a n k b a s e ( c 1 ) 黻dt h es p a c i n gb e t w e e nt h ei 撒p e l l e r s ( 岛) 舶mr a d i a l 强da x i a l a n g l e r e s o l v e dv e l o c i 够d i s t r i b u t i o n s 。t 量l er e s u l t ss h o wt 量l a t 也ep a r a l l dn o w i s l i i 北窟化工人学硕士研究生学位论文 g e n e r a t e di n t h ev a l u eo fc 2 o 4 0 tc 2 芝o 3 8 fa n ( 1 岛芝o 3 2 岁o nt h e c o n d i t i o nm a tc li ss e tt od c o n s t a n t l y ，a n dt h em e 唱i n gn o w i nt h ev a l u eo f c 2 篓o 3 8 正c 2so 3 6 ra n dc 2 0 2 7 ri nt h ed l ，d 2a n dd 3s y s t e m s ， r e s p e c t i v e l y m e nc 2i se q u a lt odc o n s t a n t l y ，m ed i v e 唱i n gn o w o c c u r si n 也ev a l u e 酊c l 茎o 。1 5 丁i na l ll h r e es y s t e m s t h ef l o wn u m b e r 屹o ft l l et h r e e p 蕊o fi 携p e l l 粥w 饿e a l 锄l 鼓e di np 搬l l e l 羹o wa 童也es 搬e 冀g i t sv a l 毯eo f 0 7 5 7 ，o 。8 4 2a 簸d0 。8 9 4 稻rt h el o w e f 蠢髓p e l l e fi si 挂e r e a s e i 稳gl a 唱e rl h a 建o 7 9 8 ， o 8 0 0a n do 8 2 0f o rt h eu p p e ri m p e l l c rw i t hi m p e l l e rd i a m e t e r si 黻c r e a s i n g t r a i l i n gv o r t i c e sg e n e r a t e db yt h el o w e ri n l p e n e ri nd i v e r g i n gn o ww e l l c s h o w nb yt h e1o oa n g l e r e s o l v e dv e l o c i t ym e a s u r e m e n t s a n di tw a sf o u n d t h a tt h eh i g h e s tm r b u l e n c ek i n e t i ce n e 蜡y ( 矿妇p 2 = o 12 一o 15 ，a n de v e n 黟e a t e r 也a no 15 ) w a si nt h er e g i o no f 也eb o u 埘a 秽b e t w e e nt w ov o n i c e s 。 蕾【e yw o r d s ：p i v ，d u a lr u s h t o n ，搽o w 蠡e l d ，髓o wp a t t 霹臂n l v 北京化工大学硕： = 研究生学位论文 符号说明 搅拌桨直径m m 径向距离m m 搅拌槽宣径m m 液面高度mm 下层桨离槽低距离m m 两桨的层问距 m 翻 上层桨离臼由面距离n u n 搅拌轴功率w 搅拌桨功率准数 液体密度 k g m a 搅拌转速 f s 以 作用力n 角速度 s 1 爱应速度虹l o l 搬3 s 1 螺距m 加热( 或冷却) 介质的质量流k g s 。 速 循环流量 m 3 s ”1 排出流量m 3 s q 诱导流量q m 3 s 1 桨叶排出流量系数 诱导流量系数 微观尺度m m 轴向均方根速度 m s d 径向均方根速度 m s _ 1 切向均方裰速度 m s 1 轴向瞬时速度 m s - l 径向瞬时速度m s 1 轴向平均速度m s _ | 径向平均速度m s 以 湍流动能 m 2 s - 2 叶端线速度 m s 一 粘度k g m s d 褶位角度 激光脉冲间隔时间s 图片对数 采集数据位置数 雷诺数 v i i d r f q q白ppf甜广 g玖酝名，y矿旷豁v宓黟缸蓉m恐 北京化工人学硕1 研究生学位论文 准数说明 n 9 黎时宽度 功率准数 拖 叶轮排出量准数 缩略词 l d a p 雷诺准数 l a s 贸d 。p p l e ra n 锄o m e 奶， p a n i c l ei i l l a g ev e l o c i m e t 巧 v l l i 程技矬 = 嘉 码= 嘉 心= 竽 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，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。 作者签名：淹鲞垂趁 日期：型鳖二丝二堡 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在土年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 作者签名：溢登盈整 导师签名：扫 日期：型二型二堡 日期：乏咄二! 等一6 多 北京化t 大学硕十研究生学位论文 _ i j l 刖吾 各种结构形式的机械式搅拌槽广泛应用于化学工程、石化工程、生物技术工程以 及制药工程等领域，以加强单相或多相流体的扩散、混合和反应。为了设计这样的系 统以及为了有效控制相关的混合和反应，就需要认识和预测搅拌槽内流场的结构。过 去几十年里，很多学者和研究人员对搅拌槽内的流动进行了大量的、不懈的理论分析、 数值计算和试验研究，并取得了丰硕的成果。但是运用先进的试验设备和方法对搅拌 槽流场进行细致深入的分析很研究仍然十分必要。 测量流场的方法很多，原理也各不相同。在最近2 0 多年里，激光多普勒测速仪 在搅拌槽流场的试验研究中得到了广泛的应用。近年来，粒子图像测速技术在搅拌槽 流场的测试中越来越显示出它的优越性，应用也越来越广。 已有文献大多只是对单层桨搅拌槽内流场进行测量，但是对传热面积要求较大和 某些高径比较大的气液搅拌釜，釜内常安装多层搅拌桨。目前，对这类搅拌槽内流动 特性的研究还比较少，而且一般考虑层间距为釜径，这样多层桨的流动认为是单层桨 的叠加，设计时搅拌功率通过单桨来计算。国外有人研究多层桨流动和混合结合，但 由于研究的范围和深度不同，结果也有差异，甚至得出相反的结论，严重束缚了工业 界中多层桨搅拌釜的设计和分析。因此很有必要对多层桨进行深入而又系统的研究。 本课题利用高分辨率的p 测试技术对多层桨搅拌槽内的流场进行研究，得出搅 拌槽内的流场分布图。在相同雷诺数的情况下，研究了桨叶直径对流场的影响。同时 还研究了不同相位处速度、湍流动能和尾涡的分布规律。本文研究结果可为多层搅拌 槽的设计和优化提供参考。 北京化正大学硕0 研究生学位论文 第一章文献综述 搅拌混合是重要的化工过程单元，它能盛接影响到产品的质量、能耗和生产成本； 而搅拌混合又涉及到流体力学和化学反应等诸方面，因此工业界和理论界对搅拌混合 非常重视，同时此操作在石油化学工业中应用也极其广泛。搅拌的各种作用均需依靠 流体的流动来实现，所以流场研究在对搅拌混合的研究中起了尤其重要的作用，因此 准确的对流场进行测量，是对流场进行研究的第一步。 本文主要讨论采用粒子图像测速( p i v ) 测量双层r u s h t o n 桨在不同条件下的流体 流动特性。下面将分1 ) 多层桨的流场2 ) 多层桨的搅拌功率3 ) 多层桨的排量系数4 ) 湍流动能5 ) 粒子图像测速( p ) 技术及其应用5 个方面叙述。 1 1 多层桨的流场 。 径囱流时轮 径向流叶轮的叶片对液体施以径向离心力，液体在离心力作用下沿叶轮的半径方 向流出并在槽内循环。如图1 1 所示 _ 一 _ 一 图卜l 径网瀛盱轮 f 讪r el - ln e r a d i a li m 州融 典型的径向流叶轮就是叶片与叶轮旋转平面垂直的涡轮，其中尤以装在一个水平 圆盘上的六个平叶片式涡轮( 图l 。2 a ) 最多。这种时轮豹一个缺点是其水平圆盘阻断 了从槽底到槽项的翻转流动，而把槽内液体分割成上下两个区域。在轮毂上装叶片而 没有水平凰盘的涡轮( 图l ，拍) 成产生一定的轴向流动，但消耗的能量高。 ；|；f ；i； 乾衷仡z 大学磺士磷究生学位论文 ab 图卜2 几种常用的径向流奸轮 f i g 糕糟堇龙髓l e 黻式珏a 搿耀区旌玉蕾弦l l e f v a l l tr i e t 【1 】等测定了涡轮产生的径向流型。对于盘式平叶片涡轮，在每个叶片的 背后、圆盘的上下两侧，都产生一对拖尾漩涡，这种漩涡流动造成一个附加的剪切场。 拖尾涡碰到器壁或挡板等障碍物后，又被打碎成无数小漩涡，形成强列的“真湍动挣。 涡轮搅拌器的重要用途是与流体受到的这种强烈的剪切作用分不开的。同时，由于涡 轮的叶片也比较宽，故在槽内能造成较大的流体循环量。涡轮搅拌器的这个特点，使 其对不同的操作要求具有良好的适应性，且可用于较宽的流体粘度范围。涡轮搅拌器 对于粘度力五万厘澹以下的液体均可产生良好的搅拌作用，特别适合于不楣溶液体约 分散、气体的溶解、固体的溶解、固体在液体中的悬浮及溶液体的反应和传热等操作， 对于粘度比较高的液体，其搅拌效果比螺旋桨好。 c a s t o 【2 】详细的讨论了涡轮搅拌器的使用与安装等方面的实际问题，指出在下述 场合径向滤叶轮具有明显的优点： 对于浅槽，径向流叶轮同轴向流叶轮相比，可以把液体送得更远。 如果根据工艺工程的要求，叶轮到槽底的距离应小于叶轮直径的3 0 ，那么，由 于轴向流叶轮的排出流垂直于槽底，受到背压反射的影响，不仅降低了叶轮的效率， 薅且能引起轴的振动，因此在这种情况下最好使用径向流涡轮。 在使用锥形槽，特别是当锥形的底面比1 5 。更陡时，轴向流叶轮容易在锥形的顶 3 j l ：塞纯工大学矮上职究生学位论文 角处造成死角，使该处的液体不能同其德部分混合，僵径向流叶轮可以把这部分液体 升举起来两避免这一缺陷。 在连续进料连续出料的搅拌槽中，采用径向流叶轮，可减小液体在槽内短路通过 的倾向。以下两种为径向流叶轮： ( 1 ) 平桨平桨也属于径向流叶轮，其结构简单，叶片数目少，一般是两片或图片。 由于叶片数最少，故排送液体的能力低，为了产生更大的排液量就必须加大叶片的长 度和宽度。典型的平桨叶轮的总长度为搅拌槽内径的5 0 一8 0 ，叶片宽度为其长度的 l 4 一l l o 。叶片推动液体在半径方向和圆周方向上运动，在叶轮附近几乎没有垂直方 向的流动。平桨所产生豹径向液流只有遇到槽壁之屠才能折转向上向下，因此造成的 轴向混合作用很小t 另一方面，由于叶轮直径( 即叶片的长度) 比较大，故转动速度 比较低，因此对流体的剪切作用比较弱。平桨在混合操作中仍占有一定的位置，主要 归因子结构简单。对于一些简单的搅拌操作，如固体的溶解，结晶或沉淀等。有事还 被采用在液层较浅或需要在排放液体的过程中不停止搅拌的场合，平桨时轮最适合。 螺旋桨和涡轮在类似条件下将产生较深的漩涡和吸入空气而将发生强烈的振动。 双层平桨的流场比较“乱 ，主要是由于平桨产生的流型非常不稳定。f o r t 强3 发 现当层间距大予2 t 3 时，釜内的流动为平行流，丽当层间距小于影2 时，釜内的流 动为连接流。毛德明从速度分布图上发现，随着层间距的增大，流动变成平行瀛，但 在叶片出口的射流区内，脉动速度高的区域虽然没有连接起来，但相互吸引，向两层 桨中间位置倾斜，偏离了水平方向。但每个单桨处流体贯穿叶片，有一定的轴向流特 征。轴向排量系数和脉动排量系数的峰值都出现搅拌桨附近。 图l 一3 乎桨式搅拌轮 f i 鲷r el - 3s t 髓如砖沁内i l l e ( 2 ) 高剪切叶轮径向流叶轮的一种特殊形式是所谓“赢剪切叶轮。像乳化、气 体和液体中的分散或高粘度液体的混匀这类操作，搅拌效果主要由叶轮造成的流体剪 应力的大小所决定，而与槽内液体的循环量关系不大或根本无关。因此，这类搅拌操 作中所用的叶轮应将外加功率尽可缝的用予产生对液体的剪切作用，瑟较少地用于产 生液体的循环流动。属于这类叶轮的有半盘式叶轮及其变种( 轮缘上开有折向两旁的 锯齿) 和离心式搅拌器等。 4 北京化工大学硕士研究生学位论文 厂_ lj 7 1 1 2 流场测量的方法 图1 - 4 高剪切叶轮 f i g u l - 4h i g h - c u t t e di i n p e l l e r 到目前为止，已经有许多种单点测量技术，包括毕托管法，热膜风速仪和激光多 普勒测速( l d a 或l d v ) 。他们的原理是在连续的时间内，在一点获得速度信息。但 是不同的测量方法，具体原理也不同。 1 皮托管法 皮托管法主要用于江河、海峡或者是管道中测量某点的速度。皮托管测试原理 是利用流体绕流球体的特性，同时采用对向测量和不对向测量相结合的方法。所谓对 向法，即让探针绕其自身轴线转动，直到探针两侧压力孔所测压力相等，此时两侧压 力孔的对称中心线就与流体方向一致，流体方向角可从探针的转动装置分度盘上读 出。不对向法即探针固定在某个方向上，而测量两侧孔的压力差，然后根据探针校正 曲线，确定流体方向角的大小。它最大的缺点是在小和中等尺寸的槽中，探针可能会 产生大的湍动。但是，它能很好地运用在固液，气液或者气液一固分散中。 2 热膜风速仪法 热膜风速仪法已经运用来研究层流、过渡、湍流区域流体流动和测量搅拌槽中流 体流动速度。它的原理是通过测量热膜上的热量损失来测量气体流速，当有气流通过 热膜时，热膜在流场中与气流进行强迫对流换热，会带走部分热量。这项技术最大的 缺点是探针接触到流体因而会对流体有干扰。 3 激光多普勒测速( l a s e rd o p p l e rv e l o c i m e t 巧，简称l d v ) 技术 激光多普勒测速仪具有非接触式测量、对流场无扰动、空间分辨率和测量精度高、 重复性好等优点，在基础理论研究和工程实际中发挥着不可替代的作用。应用激光多 普勒测速仪测量流体速度是，二维激光探头发出的两对激光探头发出的两对激光光束 5 北京化工大学硕_ ：研究生学位论文 会聚子一点形成一个椭球状的测量体，测量体与激光探头之闻的距离称为焦距，是相 应于探头型号的固定参数，测量体区域内部有明暗相间的干涉条纹，当流体携带的微 小粒子穿越测量体的干涉条纹时会产生相应的多普勒信号，分析所采集到的多普勒信 号即可得到流场的信息。激光测速已经广泛应用于流体的测量和气固、气液、固液的 两相测速中。 4 粒子图像测速( p 删c l ei m a g ev e l o c i m e 时，简称p ) 技术 p 技术本质上是图像测速技术中的种，是在近十几年来才发展起来的一种先 迸的现代流动测量技术。这种技术可在瞬时得到整个流场分布。它把摄像机与图像处 理技术相结合，其原理是将搅拌槽由一狭缝激光束照射，用两个脉冲激发光源，得到 粒子场的两次曝光图像，接着从曝光时间内粒子的位移计算出速度场。p 技术能够 测量瞬时速度场、把整个速度场上的全部速度矢量描绘出来，从而一下子解析出一个 剖面的流场信息。具有不予抚流场，测量精度高，动态响应抉，分辨率高等优点，实现了实 时采集分析、显示粒子图像、速度矢量图，成为流速测量的酋选。多用于单相流场的测 且 亘a 近些年来随着计算机技术和图像处理技术的进步，p 技术在欧美日等发达国家 得到了迅速发展，现在已经逐步应用于各种流体中，从定常流动到非定常流动、低速 流动到高速流动、单相流动到多相流动等。我国的p 研究还处在起步阶段。 1 1 3 多层桨流场的测量 单桨对搅拌釜内剪切敏感或高粘体系的搅拌混合有时不是非常理想，在气液源相 体系中不能提供足够的气液分散，同时在相等的单位质量功耗下，随着釜径的增大， 搅拌功耗在釜壁处的作用效果变差，导致釜壁处的作用效果变差，导致釜壁处气液分 散效果差，同时也减低了釜壁处的传热系数，焉这些缺点缀大稷度的霹以通过安装多 层桨褥到解决。多层桨有个额外的优点：对于相同的体积，多层桨的釜壁可以比单层 桨的釜壁做得更薄，从而有利于高压操作，同时单位体积的传热面积也会提高。因此， 在工业中有许多地方用到多层桨搅拌釜，如四大主要聚合方法和发酵工业中均可冤到 多层桨搅拌釜。然面霾前对多层桨的基础研究还不充分，尤其是多层桨在不同层间距 下流场的研究更少，致使在设计和放大多层桨搅拌釜时，不得已，往往套用单层桨所 得到的关联式和放大准则，不能合理高效的解决多层桨装置的开发和设计。 流场蕴含了搅拌混合中的许多信息，如对速度场进行积分可以获得排量，微分则 可获得剪切速率，同时铁流场本身可以直接褥到搅拌釜内流动较强和较弱的区域，当 今国内外用l d v 来研究搅拌釜内流场的文献较多。近年来，多层搅拌桨的应用越来越 6 北京化工大学硕十研究生学位论文 广泛，对多层搅拌桨的流动场研究也迅速开展起来。影响多层搅拌桨宏观流动场的因 素主要有桨型组合以及层间距等。 r u t h e r f o r d h l 通过轴编码器和l d a 详细研究了双层r u s h t o n 涡轮桨的流场，尤其是 叶片后面尾涡的结构，在桨叶附近直径为1 2 d 和高度1 凹的范围内，整体平均所 得到的数值与窗口平均所得的相差较大，两种平均获得的结果基本接近。这表明搅拌 釜内在搅拌桨附近存在强烈的非定常周期性流动。m i s l l r a 3 利用l d a 研究了双层 r u s h t o n 涡轮桨叶片出口的速度分布，发现在层间距较小时，桨叶出口的速度分布与 单桨的有很大差别，所呈现的不再是接近抛物线的分布。多层桨的混合效率( 排量系 数与搅拌功率之比) 比单层桨的低。 m a l l m o n d i 【6 j 用l d a 研究了双层涡轮与双层斜叶桨的流动场，发现每层桨的叶端 都形成两漩涡，但两种漩涡中心的位置不同，双斜叶桨的中心较高；双涡轮产生近似 直线流，汇合于严8 0 n u l l 处，双斜叶桨产生曲线流，轴向分速度高，汇合于严6 0 m i t l 处。b a k k e r 。 利用流场摄影技术测量了c h 锄i n e e 广3 型双层桨的流动场。当双层桨层 间距弘1 o 时，釜内形成上下流动的大循环，当们兰1 3 时，两层桨之间的轴向流 动彼此分开，形成两个小循环流的分区流动。 m i s h r a 临1 发现r u s h t o n 涡轮与斜桨组合时，下层的涡轮桨能有效的抑制上层斜桨 的二次循环，并且能使两者的流动很好的连接起来，形成全釜的循环。叶雯嘲研究了 翼性桨与r u s h t o n 涡轮桨组合时的流场，发现多层组合桨在层间距较小时并不能增加 各个单桨的排量系数，组合有时并不明显，同时还研究了非牛顿流体c m c 水溶液中组 合桨的流型，得到流型不仅与层间距密切相关，而且还受雷诺数的影响。 周国忠悖1 在搅拌直径乒0 5 m ，液位高仔= 兀挡板宽为刀1 0 ，离槽壁0 0 0 8 m ，搅拌桨 为标准六直叶涡轮，搅拌桨直径胪粥，介质为水，搅拌转速为1 2 0 r m i n 的条件下进 行模拟。计算域选取了槽体的一半。研究结果为：当c i - o 2 5 死c 手o 5 乃c 3 = o 2 5 丁 时，流型为平行流；当c l = q = c 3 = 7 乃时，流型为合并流；当c l = 0 1 5t ，c 2 = 0 5t ， c 3 = 0 3 5t 时，流型为平行流。结果表明：当层间距大于或等于半个搅拌槽直径时， 两个桨的相互作用非常弱，每个涡轮桨各自产生上下两个涡轮，在槽中间有一个明显 的分界线。当层间距为粥时，流动型态发生了变化，搅拌桨射流区的流线发生倾斜， 相互靠拢，中间的两个涡环被挤压变形，不再明显。在底层桨的离底距离非常小时， 涡轮搅拌桨有径向流变成轴向流。底层桨产生一个类似轴向流的大涡轮，上层桨仍然 为径向流，有两个涡环。因此，槽内有三个大涡环存在。 毛德明u 町采用痧2 5 0 x5 ，西3 6 0 x5 姗有机玻璃圆管作为搅拌槽，为了消除搅拌槽 曲面光束折射对测量产生的影响，圆形搅拌槽外设置4 4 0 x4 4 0 x4 0 0 i l n 方形玻璃槽， 内充净化水。液体高度是釜径的两倍，四块标准挡板，挡板的宽度为釜径的十分之一。 结果表明：当层间距大于或等于半个搅拌釜直径时，每个桨各自产生上下两个涡环， 导致反应釜内有四个稳定的涡环，这种流型称为“平行流 ；当层间距小于或等于3 t 北京化工大学硕士研究绽学位论文 时，搅拌浆的射流区的流线相互倾斜，并连接起来，由于两桨的相互作用，产生了两 个大的涡环，此种流型为“连接流”。 k r u t h e r f o r d & 利用乙d a 测量直径为1 0 0 和2 9 4 黼的搅拌槽内流体的结构。液 体高度为一个釜径，魍块均布挡板，挡板的宽度为o 。l 倍的釜径，两个标准的r u 她l 强 桨叶，桨叶直径为l 3 倍的釜径。研究结果表明：不同的c l 、岛、幻流体呈现三种 不同的流型分布。共存在三种稳定的流型分布，如图4 一1 7 所示分别称为平行流( c l o 2 0 aq o 3 8 5 力、合并流( a o 1 7 囊q e 3 8 5 d 和分散流( c l o 3 8 5 7 ) 。两在其余条 牛下，流型分布不稳定。 ( a ) 平行流 ( 曲p a f a l l e ln 洲 ( b ) 合并流 ( b ) 掰键i n 鬈f l o w ( c ) 分散流 c )d i v 镧i l 塔n o w 图l - 5 双层r u s h t o n 涡轮桨搅拌槽的三种流型分布 f 主静f e l 一5确霸翁o wp a 髓e 黼s 运a 如a lr l l s h 耄i 嗽诵p e l l e rs 翻髓v 麟s e l 1 2 多层桨的搅拌功率 搅拌槽内液体运动的能量来自叶轮，湍流尺度取决于单位体积液体的功率消耗。 因此，叶轮功率消耗静大小是槽内液体搅拌程度和运动状态的度量。搅拌需要的功率 是叶轮形状、大小和转速、液体性质、搅拌槽的尺寸和内部附件( 有无挡板及其它的 障碍物) 以及叶轮在槽内位置的函数。搅拌功率按下式进行计算： p 爿p 删( 1 1 ) 搅拌功率是工业混合设备设计的重要参数，遘接影响到搅拌装置所需要的电动机 相齿轮变速箱等的大小，相对其它特征参数，搅拌功率的测量装置比较方便，单层桨 的搅拌功率研究的比较充分，包括搅拌桨本身的几何形状和尺寸，内部构件和操作参 数等对搅拌功率的影响，有比较多的关联式可以参考，但对多层桨的搅拌功率的报道 刚缀少。 北京化工大学硕二卜研究生学位论文 由于大部分文献在研究多层桨时的层间距等于釜径，因而认为多层桨的功率准数 是单层桨的叠加，即单层桨的功率准数乘以搅拌桨的层数。翁志学【】等给出了平桨和 盘式透平桨在不同层间距下的功率关联式，而且由于圆盘的阻隔作用，层间距对两种 搅拌桨功率准数的影响相差较大，并结合从流场显示所得到的流型对此规律作了合理 的解释。另外，h u d c o v a ，v 【1 2 1 和6 m n e l l a n t e ，p m 【1 3 】利用在搅拌轴上安装多个扭矩传 感器，分析测量了不同位置搅拌桨的功率准数，发现在通气状况下，下部搅拌桨所消耗的 功率比上部的大。同时对于不通气条件下，盘式透平桨的的搅拌功率与层间距的关系， 整体趋势与翁志学【l i 】等的相似，但在0 6 冰c 2 o 1 d 时双层盘式透平桨的功率准数在不 同层间距下几乎不变。 测量搅拌功率的方法基本上分为两类，一类是测量扭矩的机械方法，另一类是测 量电功率。 测量扭矩的一起一般叫做“功率计 。牛顿第三定律，即作用力与反作用力相等， 是这些仪器的工作原理。功率= 扭矩角速度，即 p 巧义d x ( 1 - 2 ) 国_ 2 万n _ 掣弧度( 1 3 ) 3 0 测量功率的电化学方法将电动机的轴与搅拌器的轴直接连接，用电功率表测量电 动机的电功率输入，然后校正在马达、轴承和传动机构中的各种损失。由于不同负载 条件下的铁损和铜损的数值不同，因此该法精度低，只有在机械损失远远小于搅拌功 率时，才建议采用电测法。 在功率的测量误差中包含的能量损失有两类： ( 1 ) 传动阻力引起的损失( 齿轮传动器，轴承等部分的摩擦损失) 。只要轴转，这些损 失就会产生，对消耗交办的功率值有直接影响。这类损失称为“动力学损失“。这种 损失很容易估计，只须用完全装备好的搅拌器在无搅拌介质的负荷情况下测量空转功 率即可。搅拌所需的实际功率应是搅拌液体时测得的功率与空转功率只差。 ( 2 ) 功率计本身运动部件的摩擦损失，即所谓“静力学损失 。这一损失是无法校正的。 当叶轮功率是0 0 卜o 1 瓦时，测量值同实际功率的偏差可达5 0 0 ，在0 卜1 瓦时， 误差为1 0 0 ，在叶轮功率大于4 瓦时，功率计中的静力学损失即可忽略不计。 1 3 多层桨的排量系数 对于低粘流体的湍流混合，因分子扩散速度很快，混合速率由宏观混合所控制。 9 j 乏襄毒工丈学矮士礤究生学擅论文 流体的宏观混合速率又由流体的循环能力所决定。而流体的循环能力又与搅拌桨的撵 量密切相关。搅拌桨在旋转时从时轮中的排出流可分解成切( 阁) 向流、径向流和轴 向流。一般文献认为使搅拌釜内温度和浓度均一化主要靠轴向循环流量玩它是排出 流量珐和诱导流量识之和： 珐= 幺+ 9 ( 1 嘞 妇= 删( 1 5 ) 鹄严q 删( 1 6 ) 上式中m d 为桨叶排出流量系数，膈f 为诱导流量系数。排出流量是指由叶轮排出， 在将拌釜内进行轴高循环流动藤再返回时轮的流量；诱导流量是指伴随着撵出流在搅 拌釜进行轴向循环流动，流线不经过叶轮的那部分流量。 排量系数与循环时间、混合时间密切相关，也是搅拌釜设计和放大过程中的基础 性数据。文献中有些单桨得排量关联式，但对多层桨排量的研究比较少，褥且以往的 研究多集审在盘式透平桨和平桨等径流桨。 当层间距等于釜径t 时，由于多层盘式透平桨的流动可认为是单层桨的叠加，因 此多层桨的排量也按单桨得进行叠加。m i s h m ，v p ：和j o s h i ，j b 【5 】处理多桨得排量时所 采用的定义式与单桨的相同，通过激光多普勒测速仪( l d a ) 获得了釜内的速度分布， 分别计算了各个涡环内的排量，然后再进行加和。由子多层桨并不明显地增加各个单 桨的排量，当层间距大于1 5 d 时，循环效率( 即排量系数与功率准数之比) 比单层桨 的还低，叶雯【8 】等也计算了翼型组合桨中各个单桨的排量，得到类似的规律。m i s h r a ， v p 和j o 矗 ，j b 【5 】及时雯等嘲都没有研究涡环与涡环之闻的排量。 f o 曩【3 】等通过粒子悬浮法计算了层间距对涡环内部排量和涡环之间排量的影响， 该研究虽然没有给出关联式，但他们对此作了较为详细的工作：利用粒子示踪技术， 记录了悬浮粒子在各个涡环和涡环之间的停留时间，再定义各个粒子示踪技术，记录 7 悬浮粒子在各个涡环内部和漏环之闯豹排量系数。由于定义鞍子在涡环之闻的停窝 时间较为困难，而且计算排量时如何定义涡环之间的体积，也是一个难题，他们没有 很好地解决这两个问题，因而在计算涡环排量时得到矛盾的结论：粒子从上面涡环进 入下面涡环计算所得到的涡环之间的排量系数记为k ，粒子从下面涡环进入上面涡 环计算得到的满环之间的排量系数记为k 黼，发现k 瑚不等于k 引，两且两者有时 随着层间距的变化呈现相反的规律，即k 随着层间距的增大而增大，而k 随着 层间距的增大而减低。由于质量守恒，两者该相等，即k = k n 巾而且悬浮粒子法 本身在测量多层桨的排量是有些欠妥。不难想象涡环之间一定存在着动量交换，否则 多层桨搅拌釜内就不可能达到全釜的混合，该动量交换主要是由脉动速度所贡献的， 但目前还较少见到利用积分脉动速度来求涡环之间的排量系数的报道。 1 0 北京化工大学硕士研究生学位论文 1 4 湍流动能 流体的湍流运动是一种不规则的流动状态，它的各种量随时间与空间坐标表现出 随机变化，因而能辨别出不同的统计平均值。湍流运动的紊乱性决定了空间中任何一 个区域、在任何瞬间都存在着瞬时速度的梯度，因此，在全部湍动场中产生剪切流， 而剪切流必然产生漩涡，于是有人指出，湍流就是有一系列不同尺寸的漩涡迭加而成 的漩涡流动。 湍流的任何统计特性均无方向性，则称为“各向同性湍动”；只要在湍动的流体 中存在着平均速度的梯度，就是“各向异性湍动”。如果主流并非各向同性湍动，也 不妨碍局部各向同性湍动的存在。在搅拌槽中，只要主流雷诺数大于1 0 5 ，湍流的宏观 尺度( 即槽中最大漩涡的尺寸，通常具有叶片尺寸的数量级) 与微观尺寸之比远远大 于l ，就可认为是存在局部的各向同性湍动。 湍动强度和湍动尺度是湍动场的两个重要特性，前者表示漩涡的旋转速度和在一 定大小的漩涡中所包含的能量，后者表示漩涡的尺寸。一般用脉冲速度平方的平方根 表示湍动强度。湍流尺度是指湍流场中漩涡的尺寸。湍流的宏观尺度，即最大漩涡尺 寸，由装置的尺寸决定，一般认为最大漩涡尺寸与桨叶的尺寸具有相同的数量级；微 观尺度，即最小漩涡尺寸的数量级为 名o c l o 一3 d ( 1 - 7 ) 其中d 是搅拌桨直径。微观尺度越小，则达到混合均匀状态的速度越快。 在搅拌槽中，是通过搅拌桨叶把湍流动能传给流体。湍流动能涉及到平均速度和 脉动速度。均方根速度定义为： 小厩鼋( 1 - 8 ) y ：厅i ( 1 - 9 ) 其中u 、v 是均方根速度，u ”和u 分别是瞬时速度和平均速度( 角度平均或者系综平 均) 。湍流动能定义为： 1 尼= 寺( 纪p + y p + w r ) ( 1 1 0 ) 其中后为湍流动能，“，1 ，w 分别为径向、轴向和切向速度。 正确的估算湍流动能需要流体的三维速度，而对于二维速度，就需要作出假设， 由于同性各向湍动u ：v = w ，所以w 2 = 去( “2 + v 2 ) 。基于这个假设，公式1 1 0 可以 北京化工大学硕士研究生学位论文 简化为 霓= 扣2 川2 ) ( 1 - l 1 ) s c h a 菇嚣e t 射【1 4 】运用l d v 测量直径为刀3 p b t 桨，离槽底距离为仍的流场。研 究结果表明：最离的湍动能在桨时的射流区，其值为o 。0 4 o 0 8 5 吆。他还发现时间平 均得到的湍动能值比角度平均得到的值要大5 0 。h o c k 1 5 】得出时间平均的湍动能值 是角度平均的两倍。心e s t 菇强】报道p 8 t 桨最大的湍动麓在射流区，值为o 。l 吃。 l e e 和y i a n n e s k i s 【1 7 】利用高分辨率的相位和时间解析的l d a 测量技术对i m s h t o n 涡轮排出流区的流动特性进行了研究，从其相位解析测量中可以清晰看到时端的高湍 流动能分布区随尾涡运动逐步向槽内转移，但测量结果也多以云图形式给出。 s c h a 融e a 1 f 1 4 】采用高分辨率的u ) v 技术研究了r u s h t o n 涡轮搅拌槽内平均流动 和湍流特性，测量得到最高的湍动能在径向射流区，值为o 0 8 吆，是主体区湍动能 的4 0 2 0 0 倍。面v 觚t 础“1 】的实验结果是最高的湍动能是根据尾涡决定的，尾涡在 远离桨叶的地区消失会导致湍动能的增加。所以尾漏传带着最高的湍动能，同时它把 能量传输给小涡最后以热的形式耗散掉。 1 5 粒子图像测速( p i v ) 技术及其应用 。s 1p 了￥系统簿介 p i v 是九十年代后期成熟了的瞬间流场仪器，是二十年代流体力学测量仪器方法 上的重大发展，在搅拌槽流场测试中越来越显示出它的优越性，应用越来越广泛。 p i v ( 粒子图像测速) 是一种基于流场图像互相关分析的非接触式二、三维流场 测量技术。该技术具有能够实现无扰动、精确有效测量二、三维流场的流速分布形式 的特点。p 王￥能够同时把凡万个点的速度矢量可以用撮箭头来表示，其中箭头的大 小表示该点速度的大小，箭头的方向代表该点速度的方向。因此目前在各领域应用得 习# 常广泛，阿￥系统的优势在于其开放的系统结构。p l v 系统主要采用工业标准，丽饕 专用部件和结构。此外，它采用p c 和软件来控制、处理、分析p 1 v 的数据。开放的系 统结构提供了独立于专用处理器的性能。使锝该系统能够更好地运用计算机技术、图 像处理技术、c c d 技术、激光技术以及软件技术。 p i v 技术是在流场显示基础上，利用高速发展的计算机图像处理技术对流场显示 1 2 北京化工大学硕士研究生学位论文 进行定量化测量，从而实现对流场的瞬态测量。p i v 技术在本质上是图像分析技术的 一种。它采用时间间隔很短的两个脉冲光源照亮所需要测量的流场，利用胶片或c c d 将所照暖的流场中的示踪介质记录下来，利用计算机进行图像处理得到速度场的信 息。p i v 系统主要有5 部分构成：光源、摄像头、同步控制系统、图像采集和矢量计算。 整个系统的时序控制由阕步器实现。同时同步器也可以接受外部同步信号控制。系统 的其余部件接受同步器的控制，按照同步器的指令时序确定的时间依次工作。同步器 依次触发激光器在确定的时间发出激光脉冲，脉冲光束经过光臂传输到测量位置，由 一组透镜展开成光片照亮流场中分布的粒子。在激光照亮流场的同时，摄像头进入工 作状态，使得被照亮的流场成像。c c d 得到的图像经由接口板传输到计算机的系统内 存，得到的图像在计算机中可以存储，也可以直接进行速度矢量计算。计算得到的速 度矢量分布在t e c p l o t 软件中进行显示处理。 1 5 2 粒子图像测速( p i v ) 技术特点 p 技术具有不干扰流场，测量精度高，动态响应快，分辨率高的优点，其特点 【1 8 】如下： ( 1 ) p 能对多种瞬态流场进行测试 例如：燃烧火焰场，内燃机，自然对流，火箭发射，尾部流场，火炮发射口流场 等等，这些典型的瞬态流场都可以使用p 技术进行测量。 ( 2 ) p 能对某些稳定流场进行测试 实际流动中存在着很多特殊情况，比如狭窄流场，其流动本身是稳定的，但流场 狭小，热线热膜风速计又会破豁流场的状态，此时可以采耀p 技术。 ( 3 ) p 能测量流动的空间结构 。 通常只有在同一时刻记录下整个信息场时才能看到空阆结构的。如在嵩湍流流动 中，采用整体平均的数据不适合于保持流动中不断改变的空间结构，且平均数据的过 程容易引起流动结构图像的消失，只有通过诸如p i v 技术才有可能获得流动中的小 尺度结构的逼真的图像。 1 5 3 粒子图像测速( p i v ) 技术的发展 p 的发明和发展经历了以下几件大事： 北京化工人学硕f ：研究生学位论文 ( 1 ) 1 9 8 3 年布鲁塞尔卡门研究所的r 。m e 弦糠首次论证了现代p l v 的可行性： ( 2 ) 1 9 9 2 年n d ：y a g 激光源的产生，a 如a n 利用这一激光源首次试验了互相关p ； ( 3 ) 1 9 9 4 年g r 锄t 发明了模糊切除技术粒子图像漂移技术，使气体中使用自相关模式 p 成为可能； 垂) 1 9 9 5 年解决了流动中跟踪粒子的产生和分布问题，使p 的实际应用成为现实； ( 5 ) 1 9 9 6 年计算机的硬件的发展，制成了1 6 m b 内存、3 2 位的计算机，使p 的数据 处理有了现实保证； ( 磅1 9 9 6 年离峰值探测器以及新型c c d 的发翳和利用，使蒿分辨率p 得以实现； ( 7 ) 1 9 9 5 年1 9 9 7 年互相关视频摄像机的发展，使单幅画