（化工过程机械专业论文）多层桨在假塑性流体中的混合特性研究.pdf

c l a s s i f i e di nd e x ：s c h o o lc o d e ：l0 4 2 2 s e c u r i t yc l a s s i f i c a t i o n ：o p e n s t u d e n tn u m b e r ：2 0 0 9 1 2 5 2 7 at h e s i ss u b m i t t e dt o t h ef a c u l t yo fg r a d u a t eo fs h a n d o n gu n i v e r s i t y f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g s t u d yo ht h em i x i n gp e r f o r m a n c eo fm u l t i s t a g e i m p e l l e ri nt h em i x i n go fp s e u d o p l a s t i cf l u i d c a n d i d a t e ： c o l l e g e ： s p e c i a l t y ： s u p e r v i s o r ： h uf a n j i n m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g c h e m i c a lp r o c e s sm a c h i n e r y p r o f z h o us h e n ji e s h a n d o n gu n i v e r s i t y ，j i n a n ，p r c h i n a m a y , 2 0 1 2 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，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的 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 过的科研成果。对本文的研究作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 责任由本人承担。 论文作者签名：二蠡担垒 e l 期： 口，扒3 - 莎 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论 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、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名邋垦金 导师签名：日期：咝喈 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 符号说明v 第1 章绪论1 1 1 研究背景及意义1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 非牛顿流体洞穴的研究2 1 2 2 搅拌槽内宏观流场的研究4 1 2 3 搅拌槽内混合过程的研究6 1 3 主要研究内容7 第2 章搅拌槽的数值模拟9 2 1 引言9 2 2 数值模拟原理9 2 2 1 基本控制方程9 2 2 2 假塑性流体流变模型1 0 2 3 模拟体系及策略1 l 2 3 1 搅拌槽的结构及尺寸1 1 2 3 2 网格划分1 2 2 3 3 桨叶区模拟1 2 2 3 4 模拟策略1 3 2 4 本章小结1 4 第3 章多层桨搅拌槽内洞穴的演变17 3 1 引言17 3 2 洞穴尺寸的变化规律1 7 3 2 1 洞穴范围的确定1 7 3 2 2 洞穴的尺寸变化2 0 山东大学硕十学位论文 3 3 功耗特性2 l 3 4 表观粘度2 3 3 5 剪切速率2 4 3 6 本章小结2 6 第4 章多层搅拌桨流场的模拟2 7 4 1 引言2 7 4 2 组合桨配置2 7 4 3 桨型组合方式对流场的影响2 8 4 3 1 宏观流场结构2 8 4 3 2 速度分布规律3 0 4 3 3 剪切速率变化3 4 4 4 层间距对流场的影响3 5 4 4 1 宏观流场结构3 5 4 4 2 速度分布规律3 7 4 4 3 层间距的确定3 8 4 5 本章小结3 9 第5 章搅拌槽内混合过程的模拟4 1 5 1 引言4 l 5 2 模拟过程4 l 5 2 1 示踪剂加料及监测点位置4 1 5 2 2 模拟方法4 2 5 2 3 初始条件4 2 5 3 模拟结果与分析4 3 5 3 1 示踪剂浓度变化4 3 5 3 2 混合时间4 4 5 3 3 功耗特性4 6 5 3 4 混合性能4 6 5 4 本章小结4 8 结论5l i i 目录 i i i 3 7 9 5 5 5 一文 一 论 术 学 的 表 发 一发 问 期 献位 文学 考读谢参攻致 c o n t e n t s c o n t e n t s c h i n e s ea b s t r a c t i a b s t r a c t i l l l i s to fs y m b o l s v c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 1 b a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo fr e s e a r c h e s 1 1 2r e s e a r c hs t a t u sa th o m ea n da b r o a d 2 1 2 1c a v e r nr e s e a r c hi nn o n n e w t o n i a nf l u i d 2 1 2 2f l o wf l e i dr e s e a r c hi ns t i r r e dt a n k 4 1 2 3m i x i n gp r o c e s sr e a s a r c hi ns t r r e dt a n k 6 1 3m a i nc o n t e n t so ft h et h e s i s 7 c h a p t e r2n u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h es t i r r e dt a n k 9 2 1 i n t r o d u c t i o n 9 2 2n u m e r i c a ls i m u l a t i o np r i n c i p l e 9 2 2 1g o v e r n i n ge q u a t i o n s 9 2 2 2r h e o l o g i c a lm o d e lo f p s e u d o p l a s t i ef l u i d 10 2 3s i m u l a t i o ns y s t e ma n ds t r a t e g y 11 2 3 1t h es t r u c t u r eo fs t i r r e dt a n k 11 2 3 2m e s h i n g 1 2 2 3 3s i m u l a t i o no fi m p e l l e rr o t a t i o n 1 2 2 3 4s i m u l a t i o ns t r a t e g y 1 3 2 4s u m m a r y 1 4 c h a p t e r3c a v e r nf o r m a t i o ni nm u l t i - s t a g es t i r r e dt a n k 17 3 1 i n t r o d u c t i o n 17 3 2c a v e r ns h a p ea n ds i z e 17 3 2 1d e t e r m i n a t i o no fc a v e r ns i z e 17 3 2 2t h ec h a n g eo fc a v e r ns i z e 2 0 山东大学硕七学位论文 3 3p o w e rc o n s u m p t i o n 2 1 ：；4a p p a r e n tv i s c o s i t y 2 3 3 5s h e a rr a t e ：! z i ： 6s u m m a r y 2 6 c h a p t e r4s i m u l a t i o no ft h ef l o wf i e l do fm u l t i s t a g ei m p e l l e r 2 7 4 1i n t r o d u c t i o n 2 7 4 2i m p e l l e rc o m b i n a t i o n 2 7 4 3i n f l u e n c eo fi m p e l l e rc o m b i n a t i o nt y p ct ot h ef l o wf i e l d 2 8 4 3 1s t r u c t u r eo ff l o wf i e l d 2 8 4 3 2v e l o c i t yd i s t r i b u t i o n 3 0 4 3 3s h e a rr a t ed i s t r i b u t i o n 3 4 4 4t h ei n f l u e n c eo fi m p e l l e rs p a c i n gt ot h ef l o wf i e l d 3 5 4 4 1s t r u c t u r eo ff l o wf i e l d 3 5 z i 4 2v e l o c i t yd i s t r i b u t i o n 3 7 4 4 3d e t e r m i n a t i o no fi m p e l l e rs p a c i n g 3 8 z i 5s u m m a r y 。3 9 c h a p t e r5s i m u l a t i o no f t h em i x i n gp r o c e s si ns t i r r e dt a n k 4 1 5 1i n t r o d u c t i o n 4 1 5 2s i m u l a t i o no fm i x i n gp r o c e s s 4 1 5 2 1t r a c e ri n j e c t i o np o i n t sa n dm o n i t o rp o i n t s 4 1 5 2 2s i m u l a t i o nm e t h o d 4 2 5 2 3s i m u l a t i o nm e t h o d 4 2 5 3s i m u l a t i o nr e s u l t sa n d a n a l y s i s 4 3 5 3 1t r a c e rc o n c e n t r a t i o nc h a n g e s 4 3 5 3 2m i x i n gt i m e 4 4 5 3 3p o w e rc o n s u m p t i o n 4 6 5 3 4p o w e rc o n s u m p t i o n 4 6 1 ；4s u m m a r y z 1 8 c o n c l u s i o n s 51 i i c o n 下e n t s 暑曼量詈皇詈鼍曩置皇皇鲁皇皇量m l ) i , m 舅i i e r e f e r e n c e s 5 3 p u b l i s h e dp a p e r s 5 7 a c k n o w l e d g e m e n t s 5 9 i i i 摘要 摘要 多层桨搅拌设备在工业过程中非常常见，被广泛应用于气液混合、固液 悬浮、热传导以高粘物料的合等场合，比如在催化剂成胶搅拌过程中，就有 大量凝胶状高稠度的假塑性流体生成，此类流体高粘及剪切稀化的特性使得 其混合过程非常困难。为此，本文利用数值模拟的方法对多层桨搅拌假塑性 流体的洞穴、流场及混合特性进行了研究。 利用f l u e n t 软件对原催化剂成胶装置1 10 计算模型内洞穴的演变过程 进行了研究，得到了洞穴尺寸变化规律，确定了槽内流体被完全搅动时的 搅拌操作参数。分析了搅拌槽内剪切速率及表观粘度变化，结果表明搅拌 槽内的表观粘度分布与剪切速率分布密切相关，增大转速能够有效地控制 槽内的剪切速率分布，并使得搅拌槽内的表观粘度降低且分布趋于均匀。 研究了桨型组合方式对多层桨搅拌流场的影响，结果表明，不同组合 桨搅拌槽内的流场结构区别较大，其中径流桨组合搅拌槽中的流型为平行 流，斜叶桨、轴流桨组合搅拌槽中则在下部区域形成了连接流。分析了层 间距对搅多层桨搅拌槽内流型的影响，确定了不同组合桨搅拌槽内形成连 接流时的层间距值。 基于稳态流场的计算，完成了搅拌槽内混合过程的模拟，并对各组合 桨的混合性能进行了分析对比。结果表明，斜叶桨组合能够同时兼顾轴向 循环与剪切性能，最为适合于假塑性流体的搅拌，其混合效率比原催化剂 成胶搅拌组合高出了5 7 左右；轴流桨组合由于受限于较低的剪切性能， 其混合效率低于斜叶桨组合，但仍旧比原催化剂成胶搅拌组合提升了4 8 左右；径流桨组合对混合效率改善不大。 关键词多层桨；假塑性流体，洞穴；流场7 混合特性 a b s t r a c t a b s t r a c t s t i r r e dv e s s e l sw i t hm u l t i p l ei m p e l l e r sa r ev e r yc o m m o ne x i s t e di nt h e i n d u s t r i a l p r o c e s sa n d a r em o r eo f t e nu s e df o rl i q u i d g a sm i x i n g ，s o l i d s u s p e n s i o n s ，h e a tt r a n s f e ra n dt h em i x i n go fv i s c o u sf l u i d s i nt h eg e l l i n g m i x i n gp r o c e s so ff c cc a t a l y s t ，l o t so fg e l a t i n o u sp s e u d o p l a s t i cf l u i d sw i t h h i g hc o n s i s t e n c yw i l lb eg e n e r a t e d i ti s ad i f f i c u l tw o r kt om i x i n gt h e p s e u d o p l a s t i cf l u i dd u et oi t sh i g hv i s c o s i t ya n ds h e a r t h i n n i n gf e a t u r e s ，a n d t h em u l t i p l ei m p e l l e rs y s t e mu s e di nt h ef a c t o r yc a n tg i v eag o o dm i x i n g p r o p e r t y h e r e ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o dw a su s e dt os t u d yt h ec a v e r n ， f l o wf l i e da n dm i x i n gp e r f o r m a n c eo fm u l t i - s t a g ei m p e l l e ri nt h em i x i n go f p s e u d o p l a s t i cf l u i d s o f t w a r ef l u e n ti su s e dt os t u d yt h ec a v e r nf o r m a t i o ni na1 10z o o m e d g e l l i n gm i x i n gt a n k t h ec a v e r ns i z e a saf u n c t i o no fa g i t a t i o ns p e e di s o b t a i n e da n dw h e nt h es p e e dr e a c h e st o36 0 r m i n ，t h ef l u i dc a nb ea g i t a t e di n t h ew h o l et a n k i n a d d i t i o n ，a c c o r d i n gt o t h er e s e a r c hf o rs h e a rr a t e d i s t r i b u t i o na n da p p a r e n tv i s c o s i t yd i s t r i b u t i o n ，i tc a nb ef o u n dt h a t ，t h e a p p a r e n tv i s c o s i t yd i s t r i b u t i o ni sc l o s e l yr e l a t e dt ot h es h e a rr a t ed i s t r i b u t i o n ， a n dw i t ht h ea g i t a t i o ns p e e di n c r e a s e st h ea p p a r e n tv i s c o s i t yd e c l i n e sr a p i d l y a n dd i s t r i b u t e se v e n l yi nt h ew h o l et a n k f o u rt y p eo fi m p e l l e rc o m b i n a t i o n sa r eu s e dt os t u d yt h ei n f l u e n c eo f c o m b i n a t i o nt y p eo nt h ef l o wf i e l d t h ec o m b i n a t i o nt y p eh a sag r e a te f f e c to n t h ef l o wf i e l d p a r a l l e lf l o wf o r m e di nt h et a n kw i t hr a d i a lf l o wi m p e l l e ra n d o t h e rt y p ec a np r o d u c eam e r g i n gf l o wo nt h eb o t t o mr e g i o no ft h et a n k t a k e s i x - b l a d ep b tc o m b i n a t i o nf o ri n s t a n c e ，t h ee f f e c to fi m p e l l e rs p a c i n go nf l o w r e g i m ei si n v e s t i g a t e da n dt h ei m p e l l e rs p a c i n gv a l u ei so b t a i n e dw h e nt h e m e r g i n gf l o wf o r m e di nt h ew h o l et a n kf o ra l lt y p e so fi m p e l l e rc o m b i n a t i o n b a s e do nt h ec a l c u l a t i o no fs t e a d y 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 no ft h e i i i 山东大学硕七学位论文 m i x i n gp r o c e s si sf i n i s h e d t h er e s u l t ss h o wt h a t ，p b ti m p e l l e rc o m b i n a t i o n i sm o s ts u i t a b l ef o rt h em i x i n go fp s e u d o p l a s t i cf l u i da n di tc a np r o v i d e e n o u g hs h e a rs t r e s sa n da x i a lc i r c u l a t i o n t h em i x i n ge f f i c i e n c yo fp b t i m p e l l e rc o m b i n a t i o ni s5 7 h i g h e rt h a nt h eo r i g i n a lc o m b i n a t i o n ，a n dt h e m i x i n ge f f i c i e n c yo fa x i a lf l o wi m p e l l e rc o m b i n a t i o ni so n l y4 8 h i g h e rt h a n t h eo r i g i n a lc o m b i n a t i o nd u et oi t sl o w e rs h e a rp r o p e r t y r a d i a lf l o wi m p e l l e r c o m b i n a t i o nc a n to b v i o u si 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 s ：m u l t i s t a g ei m p e l l e r ；p s e u d o p l a s t i ef l u i d ；c a v e r n ，f l o wf i e l d ； m i x i n gp e r f o r m a n c e i v 符号说明 符号说明 p 密度，k g m 3 ； ，c a v c r n 体积比； p 压力，p a ； ，静止坐标系下的速度，m s ； 表观粘度，p a s ； 蜥旋转坐标系下的速度，m s ； 剪切速率，l s5 稠度系数： 流变指数： 初始粘度，p a s ； 旋转角速度，r a d s ； ，距旋转坐标系原点距离，m ： 日搅拌槽高度，m ； d 搅拌槽直径，m ： ，；哪平均剪切速率，l s ：r 椭圆封头短径，m ； m e t z n e r o t t o 常数；形挡板宽度，m ； 搅拌转速，r m i n ；c l 离底间隙，1 1 1 ； d 搅拌桨直径，m m ；c 2 中下层间距，m ； r e 雷诺数； 尸功率，w ； c 3 中上层间距，m ； c 4 浸没深度，m ： m 扭矩，n m ；r 时间，s ： n p “f v 0 1 ，t i p 圪a v e r n y 功率准数； 径向速度，m s ： 洞穴边界速度，m s ； 叶端线速度，m s ； 洞穴体积，m 3 ； 搅拌槽净体积，m 3 ； 日m 混合时间，s ； 材z 轴向速度，m s ； o m 混合准数； c 3 无量纲数； 尸v 单位体积搅拌功率，w m 3 ； 矾单位体积混合能，k j m 3 ； v 矿 k 船 肋 第1 章绪论 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 搅拌设备被广泛应用于化工、食品、冶金、造纸、石油和水处理等行 业，其中机械式搅拌槽由于操作稳定、接触面积大、传热传质效率高、操 作稳定等优点，应用最为广泛。 前人采用各种实验与数值方法对搅拌槽内牛顿流体的流场分布及搅 拌过程做了大量的研究工作，但在许多工业操作中，遇到的流体有很多是 非牛顿流体，其中又以具有屈服应力的假塑性流体最为常见，比如在f c c 催化剂成胶搅拌过程中就会生成大量凝胶状高稠度的此类流体。具有屈服 应力的假塑性流体有以下几个特点：具有初始屈服应力，当搅拌桨作用于 流体的应力超过流体自身的屈服应力时，流体才会发生运动；剪切变稀特 性，流体的粘度随剪切速率的增加而降低；通常具有较高的粘度，并且大 都不透明。这一系列的特点使得此类流体的流动状态不同于与普通的牛顿 流体，其相关的研究工作较之牛顿流体也要困难许多。目前，对于具有屈 服应力的假塑性流体的研究仍是一项极具有挑战性的工作。 催化裂化( f c c ) 是炼油工业的重要环节，分子筛合成反应釜是f c c 催化剂生产的关键设备之一。f c c 催化剂生产中的分子筛合成反应釜内的 物料性质随着反应的进行不断发生变化，反应初期为低粘度单相液体、反 应中间过程生成凝胶状高稠度的非牛顿流体、反应后期则生成大量的固体 颗粒。该工艺过程的特点，要求所采用的搅拌反应器结构既要保证反应初 期的低粘度及中期的凝胶状高稠度非牛顿流体的混合均匀、又要保证反应 后期生成的大量的固体颗粒不沉底，根据机械能按需分配的设计思想，机 械能在反应器内中部及上部均匀分布、底部适度集中，以保证反应初、中 期牛顿及非牛顿流体的混合均匀及反应后期的固体悬浮，为此确定了多层 桨、大桨径、小层间距、不同桨型组合的技术方案。但在目前的f c c 催化 剂成胶搅拌生产过程中依旧存在混合效率低、槽内流场分布不均匀等问题， 山东大学硕七学位论文 所以本文提出的多层桨搅拌槽内假塑性流体混合特性的研究具有很高的实 际应用价值。 本文的主要目的就是在现有的搅拌技术基础上，采用c f d 技术对假塑 性流体多层桨搅拌混合特性进行研究。通过对搅拌槽内流场及混合过程的 分析，从多个方面对各种搅拌组合的混合特性进行评估，以期能够提出可 行的技术解决方案，最终实现对现有催化剂成胶搅拌设备的改进与优化。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 非牛顿流体洞穴的研究 许多过程工业生产过程都会涉及非牛顿流体的搅拌，而大多数非牛顿 流体呈现带有一定屈服应力的假塑性特征。由于此类流体的高粘、剪切稀 化等特点，在这种流体的搅拌过程中，会在搅拌桨周围形成一个运动强烈 的区域( 洞穴) ，区域内流体混合效果较好，而区域外的流体则处于停滞 状态或是仅作缓慢的运动，很不利于传质、传热等的进行【i 】。因此，预测 流场及洞穴大小的变化，以保证整个槽内的流体均处于循环流动状态，对 于剪切变稀的假塑性流体的搅拌至关重要。 洞穴这个概念是由w i c h t e r l e 和w e i n 2 1 在研究细微固体粒子的悬浮问 题时首次提出的，随后人们建立了很多的数学模型用于预测洞穴的大小。 s o l o m o n 等【3j 首先提出了一种球形数学模型用于描述洞穴，他们认为搅拌 器作用在洞穴边界上应力等于流体屈服应力，而洞穴内的流体主要是切向 流流动。后来，e l s o n 等【4 】对球形模型进行了修正，借助于x 射线流动可 视化技术，他们认为圆柱形模型更适合于用来描述洞穴的形状，该模型适 合于h e r s c h e l b u l k l c y 和c a s s o n 类型具有屈服应力的流体，期间该模型也 在h i r a t a 和a o s h i m a 【5 ，6 1 的研究过程中得到了应用。此后，a m a n u l l a h 等【7 1 又 开发出了圆环形洞穴模型，他们认为搅拌器作用于洞穴边界上的总动量是 由切向和轴向分量组成的，该模型特别适合描述幂律流体的洞穴形状大小。 w i l k e n s 等1 8 】借助于经验对圆环形模型进行了修正，他们忽略掉了轴向分 量，提出了椭圆环形状的模型用于描述洞穴的直径及高度。洞穴研究过程 2 第1 章绪论 中的各种数学模型如表1 1 所示。 表1 1 描述洞穴的各种数学模型 m o d e lr e f e r e n c e f 堡1 2 芘一p n 2 d 2 w t c h t e r l e 和w e l n ( 1 9 7 5 ，1 9 8 1 ) i 、d f ， ( 铲( 制半挎只也 ( 务降) ( 半 = 喾昂心 ( 告) 3 = 而等酽 = 降) ( 每) ( 铲玎孚肛( 笥 岫( 譬) 3 黔卢p 。n 2 d s 3 s o l o m o n 等( 1 9 5 1 ) e l s o n 等( 1 9 8 6 ) h i r a t a 和a o s h i m a ( 1 9 9 5 ，1 9 9 6 ) a m a n u l l a h 等( 1 9 8 8 ) w i l k e n s 等( 2 0 0 5 ) 为了更加深入地了解洞穴，在洞穴理论模型发展的基础上，人们利用 c f d 模拟所得的速度云图来分析洞穴的演变过程，此时洞穴边界上的速度 被定为0 0 1 v 。i p ，其中h i p 为搅拌桨叶端线速度。p a k z a d 等【9 j 利用c f d 技术 和e r t 实验方法对s c a b a6 s r g t 桨搅拌槽内黄原胶水溶液中的洞穴直径 进行了测量，结果表明c f d 模拟结果与实验结果能够很好的吻合；其进一 步的研究结果表明，在洞穴抵达槽壁之前，洞穴的高度与直径之比为o 4 8 ， 此后洞穴的高度会随着搅拌桨转速的提高而增加，此时洞穴高径比与转速 的关系式为：皿现a cn 仉鳃，这个结果与g a l i n d o 和n i e n o w o l 的研究结果一 致。此外，e i n m o z a f f a r i 和u p r e t i t l l l 也利用c f d 分析了螺旋桨、折叶涡轮 桨和莱宁a 31o 桨周围形成的洞穴的形状及大小，且c f d 结果与实验结果 吻合。栾德玉等1 1 2 对六弯叶搅拌器在黄原胶水溶液中的流场及洞穴变化进 行了研究，结果表明当洞穴直径小于搅拌槽直径时，模拟所得的洞穴大小 3 山东大学硕士学位论文 与e l s o n 模型的理论计算结果一致。 1 2 2 搅拌槽内宏观流场的研究 搅拌槽内的流场特性是对一个新型搅拌设备性能的最基本评价【j3 1 。最 初，为了获知槽内的流场特性，很多实验方法被开发出来，其中最为常用 的一种方法就是p i v 技术。p i v 技术要求流体必须透明，但工业中遇到的 假塑性流体大部分都是非透明的，这就使得p i v 技术及其它相似的实验方 法无法应用于假塑性流体流动场的研究。当然，人们也试图寻求透明的假 塑性流体用于研究，这其中也获得了一些成果，比如周国忠i f 4 利用p i v 技 术获得了假塑性流体羧甲基纤维素钠( c m c ) 水溶液在搅拌槽内的三维流 动场，但毫无疑问，p i v 在假塑性流体中的应用还是有着一定的局限。现 如今针对非透明液体应用较多的实验方法是超声波多普勒测速技术 ( u d v ) ，比如p a k z a d 等1 9 1 就把s c a b a6 s r g t 桨搅拌槽内黄原胶溶液的流 场模拟结果与u d v 测得的流场进行了对比，其结果表明c f d 技术能够捕 捉到流场的特征，计算出速度值与实验方法测得的结果能够很好的吻合。 多层桨搅拌槽在工业过程中非常常见，它被广泛地应用于气液混合、 固液悬浮、热传导以及高粘物料的混合等场合。对于多层桨搅拌槽来说， 槽内的搅拌桨越多，其流型就越复杂，但却普遍地介于如图1 1 所示的两 种理想流型之间1 1 引。 4 卜n 上 、，r 、，、，r u u 图1 1 多层桨搅拌槽内的两种理想流型 在第一种流型中，各个搅拌桨周围都产生了相似的循环涡，但各涡之 第1 章绪论 间基本上没有交互作用；在第二种流型中，搅拌槽内则形成了整体的轴向 循环涡。很明显，第二种流型更利于流体的混合，但通常也需要更多的能 量输入。 多层桨拌槽内的流动场主要受桨型组合以及层间距等因素的影响。 r u t h e r f o r d 等【l6 】利用l d a 详细研究了双层r u s h t o n 涡轮桨搅拌槽内的流场 结构，结果表明：搅拌槽内的流型与离底间隙c l 、两桨之间的距离c 2 以 及上层桨浸入液体的深度c 3 密切相关，通过调节以上各距离的取值共获得 了三种稳定的流型，分别为平行流、合并流以及分散流，如图l - 2 所示。 a l b e r t 等【1 7 】在研究多层不同尺寸四斜叶桨搅拌槽内的流场时也发现，槽内 的全局循环流型与各层桨的相对尺寸、层间距密切相关。 a ) 平行流b ) 合并流c ) 分散流 图卜2 双层r u s h t o n 涡轮桨搅拌槽的三种流型分布 近年来，对多层桨搅拌槽内流动场的研究已逐步展开。马青山等【1 3 1 利用c f x 软件对多层搅拌桨搅拌槽内的流场进行了模拟，并将模拟结果与 l d v 测试结果进行了比较。梁瑛娜等利用计算流体力学的方法，对双层六 直叶涡轮桨、双层六斜叶涡轮桨和双层六直斜叶交替涡轮桨搅拌槽的流场 进行了研究。郭新等【l9 】采用p i v 技术对双层c b y 桨搅拌槽内的流场进行 了研究，考察了层间距、浸没深度以及离底高度对槽内流场分布的影响。 赵静等【2 0 】采用p i v 技术对三层组合桨搅拌槽内的流场进行了实验研究，并 采用k - e 模型对相应的流动特性进行了数值模拟，通过改变层间距、顶层 桨浸没深度及上两层桨的操作方式得到了4 种不同的流型。张少坤等【2 1 1 5 山东大学硕+ 学位论文 采用f l u e n t 软件对双层六直叶涡轮桨搅拌槽内的流场进行了数值模拟， 结果表明：桨叶空间位置的变化对搅拌槽流场性能的影响非常明显，通过 改变双层桨叶的位置获得了平行流、合并流和分散流三种流型，且各流型 的功率消耗存在较大差异，平行流时的功耗最大。 从上述总结中可以看出，对多层桨搅拌槽内流动场的研究大都是采用 牛顿流体作为研究对象，针对非牛顿流体流动场的研究依旧比较缺乏。 1 2 3 搅拌槽内混合过程的研究 流体混合机理有对流混合、剪切混合和扩散混合三种类型【2 2 1 。高粘度 流体的混合过程主要靠剪切混合和对流混合实现，扩散混合所起的作用甚 微。物料首先在搅拌桨剪切作用下被撕拉成薄层，然后再通过对流实现高 剪切区与低剪切区流体微元的交换。对于整个搅拌槽而言，物料的混合速 率主要取决于高、低剪切区内流体微元的交换速率，而在层流区混合时这 种交换速率通常取决于搅拌器的轴向循环能力，轴向循环能力越强，混合 速率越快。 混合时间是用来评价搅拌槽内流体混合效率的一个重要参数，是搅拌 槽反应器设计及放大的重要依据之一【2 3 1 。混合时间可通过实验或是c f d 方法获得，但有些实验不适合应用于不