《论文基于CFD软件的搅拌罐开 发和优化论文(定稿)》.doc

论文基于CFD软件的搅拌罐开 发和优化论文(定稿) lhd11211988贡献doc文档可能在WAP端浏览体验不佳。 建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 基于CFD软件的搅拌罐开发和优化摘要拌罐在造纸、化工、石化、制药、食品加工和生物化工等领域有着广泛的应用。 在反应器的放大和设计中，因为反应器内单相和多相流体流动都很复杂,研究者多采用一些无因次全局参数和基于全局值的经验、半经验关联式，流体力学的数学模型还需要深入。 为了充分了解搅拌罐内的流动特性，本文在计算流力学理论（CFD）的基础上，对搅拌罐内的流动特性进行了初步的数值研究。 选用多重参考系法对搅拌桨进行模拟。 在不同桨叶半径和不同转速对搅拌罐内的搅拌特性进行模拟分析。 通过模拟结果的比较得出搅拌的最佳优化结果。 关键词搅拌罐关键词数值模拟计算流体力学1.前言搅拌混合是化工工业过程中最常见，也是最重要的单元操作之一，其主要目的是加速体系传质或传热过程。 对机械搅拌混合设备而言，机械能通过旋转中的搅拌叶轮转化为流体的动能，从而形成槽内的整体流动，完成传质及传热过程。 对搅拌设备内流场的测量往往只能获得一些局部的信息，而且流场测量的实验装置一般比较昂贵，实验过程比较费时。 对某些过程有时是无法进行实验测量的。 近年来，随着技术的发展，利用数值模拟的方法获得搅拌罐内的流动与混合信息已经成为现实1。 利用数值模拟方法可以节省大量的研究经费，而且可以获得许多实验手段所不能得到的数据，CFD技术的出现极大地促进了搅拌混合研究。 CFD可以模拟在不同搅拌桨的型式、尺寸和离底距离等条件下，流场对混合、悬浮和分散等过程的影响。 流动、能量耗散等的计算可视化，可以直观地了解槽内的混合情况，确定已存在系统中问题所在，并进行搅拌器的优化设计，消除死区，确定加料口位置等。 针对这个问题有几种不同的模型方法黑箱模型法，内外叠代法，多重参考系法，滑移网格法，大窝模拟法等2。 多重参考系法与滑移网格法的计算结果在稳态的模拟上，保持了较好的一致性3-4，而前者节省了大约一个数量级的计算时间。 因此本文主要利用CFD分析软件FLUENT软件，采用多重参考系法对搅拌罐内流动混合过程进行分析模拟计算。 在不同桨叶半径和不同转速下对搅拌罐内的搅拌特性进行模拟分析。 2.模型的建立和网格的划分2.1计算区域和网格划分本文采用一个二维模型来模拟搅拌问题，采用的是桨叶与排除流区的一个截面，本研究中使用多重参考系模型，搅拌流体为水，不可压缩牛顿流体，研究体系为定常流动。 网格划分如图1所示边界条件由于搅拌器的特殊结构，流体流动时没有主流区，即没有进、出口边界条件。 在计算时只用到了多重参考系边界条件和固体壁面边界条件。 边界条件如图1所示。 图1计算区域及网格划分图2.2控制方程流体运动的基本方程组是连续性方程和运动方程。 在层流情况下，运动方程中的应力项可以根据牛顿本构方程写成速度梯度形式，联立质量守恒方程就可以求解。 连续性方程?+(ui)=0?t?xi (1)运动方程?(ui)+(uiu j)=?+?t?x j?xi?x j?u?u j2?u j?i+?x j?xi3?x j?+(?uiu j)?x j? (2)3.数值模拟结果分析3.1改变桨径的数值模拟计算结果分析 （1）流体速度矢量比较为了观察了解流体流动，绘制速度矢量图是必不可少的，通过速度矢量图可以简单明了地看到流体的流动规律。 搅拌桨局部区域速度矢量放大图(a)D=20cm(b)D=30cm(c)D=40cm图2流体速度矢量比较图(d)D=50cm通过这几组图的对比可以看出速度矢量的一致性越来越好。 也就是其混合效果越来越好。 （2）速度xy曲线比较下图是速度x-t分布图，可以直观反应流体在流动区域内的流动特性，可以直观的比较各种工况。 0.050.040.080.070.060.05速度(m/s)速度(m/s)0.10.20.30.40.50.030.020.010.000.040.030.020.010.00-0.010.100.150.200.250.300.350.400.450.500.55沿程长度/m沿程长度/m(a)D=20cm(b)D=30cm0.100.080.140.120.10速度(m/s)速度(m/s)0.060.040.020.000.200.250.300.350.400.450.500.080.060.040.020.00-0.020.250.300.350.400.450.50沿程长度/m沿程长度/m(c)D=40cm图3速度xy曲线图(d)D=50cm这组图更能直观的看出速度矢量的平缓性越来越好。 也就是说直径最大的这组数据在此是最好的。 下面我们就采用这组数据继续分析。 3.2改变转速的数值模拟计算结果分析这部分是针对上面的比较结果，选取的D=50cm的最优方案进行进一步的分析比较。 下面的几组图都是在此基础上（w=0.5rad/s）增大转速的比较，所以这里不把起初情况作对比，只比较其他两个工况，(w=2.5rad/s和w=5rad/s)，第一工况在前面已有说明。 （1）流体速度矢量比较(a)w=2.5rad/s图4流体速度矢量比较图(b)w=5.0rad/s （2）速度xy曲线比较0.70.60.50.41.41.21.00.8速度（m/s）速度（m/s）0.30.20.10.0-0.10.250.300.350.400.450.500.60.40.20.0-0.20.250.300.350.400.450.50沿程长度/m沿程长度/m(a)w=2.5rad/s图5速度xy曲线图(b)w=5rad/s图5更能直观的看出速度矢量的平缓性越来越好。 也就是说转速最大的这组数据在此是最好的。 4结论 （1）通过对模拟结果的对比可以看出，利用多重参考系模型可以较为准确地模拟出搅拌器的搅拌特性，并模拟搅拌罐内流动场的分布。 （2）通过数值模拟分析可以清楚地看出来，增大了半径可以看出来速度在搅拌设备内的分布越来越好，使得在各个区域的速度都能达到同步性，也就是说增大半径使其搅拌效果得以提高。 但是对于同以各容器并不是说半径越大越好。 半径越大也就增大了成本，同时对于安装也会带来一定麻烦。 而且半径大了，在增大转速的情况下会增大其本身的受力情况，从而降低其使用寿命。 所以要选取合适的桨径。 （3）选取半径最大的继续分析，可以看出来增大转速也明显提高了搅拌混合的效果。 所以提高转速对搅拌也是有利的。 但是也不能无限的增大下去。 这样会增大桨叶的受力，所以要选取合适的转速。 （4）在改变桨叶半径和转速后，混合效果比以前好。 所以对于一定规格的搅拌罐要选择适当的搅拌浆也要选择适当的桨叶半径和转速，才能使其搅拌效果达到最后，混合时间也最短。 参考文献1K.O.Peterson.Etude experimentaleet numeriquedes ecoulement-sdiphasiques dansles reacteurschimiquesD.LUni-versiteClaude Bernard，Lyon，1992.2李波，张庆文，洪厚胜，由涛.搅拌反应器中计算流体力学数值模拟的影响因素研究进展J.化工进展，xx，28 (1):7-123Koh PT L，Schwarz MP.CFD Modellingof bubble-particle attachmentsin flotationcellJ.Minerals Engineering，xx，19（6-8）619-6264Koh PT L，Schwarz MP.Development ofCFD modelsof mineralflotation cellsC.Melbourne ThirdInternational ConferenceonCFP inthe Mineralsand ProcessIndustry，xx171-176development andoptimization of stirred tankwith CFDsoftware Abstract:stirred tankreactors areextensively usedin avariety ofindustries likethe paperand pulp,pharmaceutical,fine chemicals,food industry,petroleum chemicalengineering,pharmacy andbiochemical engineeringetc.In designingsuch reactors,since theturbulent three-dimensional flowof singleor multiphasefluid isplex instirred tanks,researchers mostlyuse dimensionlessglobal parametersand theexperience、semi-empirical correlationbased onglobal values,and mathematicalmodeling ofhydrodynamic behaviorare desiredin depth.To fullyunderstand the flow characteristicsourring instirred tanks,this thesisis devotedto theabove taskson thebasis ofputational fluiddynamics(CFD),and apreliminary numericalstudy of theflowcharacteristics hasbeen researched.In thepaper,multi-reference frame(MRF)is usedto simulatethe impellers.The characteristicsofstirred tank are