桨叶高度对搅拌槽内流动场的影响分析毕业论文.doc

分类号 单位代码 密 级 学 号 学生毕业设计（论文）题 目桨叶高度对搅拌槽内流动场的影响作 者院 (系)专 业指导教师答辩日期榆 林 学 院毕业设计（论文）诚信责任书本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文），是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。毕业设计（论文）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其它个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果。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。本人毕业设计（论文）与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 论文作者签名: 年 月 日摘要搅拌设备在化工、生物、制药、材料加工以及食品加工等领域中有着非常广泛的应用，尤其是在石油化工生产中用于物料混合、溶解、传热、制备悬浮液、聚合反应等。搅拌操作是工业反应过程中的重要环节，在促进槽内物料流动，使搅拌槽内物料均匀分布的同时，能够增大传热和传质系数，加速反应的进行。论文采用计算流体动力学(CFD)技术对搅拌槽内的流动场进行了数值模拟，研究了6DT、6PDTU及6PDTD三种搅拌桨在桨叶高度为100mm、130mm、170mm时搅拌槽内流体的流场特性。结果表明：（1）对于三种桨叶，搅拌槽内均形成两个漩涡，且随着桨叶高度的增加，上下漩涡的分界面上移，上部漩涡变小，下部漩涡增大；（2）对于三种桨叶，随着桨叶高度的增加，搅拌槽内湍流区域增大，整体混合效果更好。(3) 对于三种桨叶，随着桨叶高度的增加，所需搅拌功率下降，说明桨叶高度越高，流体在流动过程中的能量损失越小。关键词：搅拌槽；计算流体动力学；桨叶高度；流动场；搅拌功率Numerical Analysis of the Flow Field of Stirred Tank with Different Impeller HeightABSTRACTStirring equipments are widely applied in chemical industry, biological engineering, pharmaceutical engineering, materials processing, food processing, etc. Especially, they are used for materials mixing, dissolving, heat transferring, preparation of suspension and polymerization reactions in the petrochemical production.Stirring operation is an important part of the industry reaction process, it can promote the flowing of materials and make materials distributing evenly in the stirred tank. At the same time, it can increase the coefficient of heat and mass transfer and accelerate the reaction.The internal flow field of a stirred tank has been simulated numerically by utilizing Computational Fluid Dynamics(CFD), the flow characteristics of three different impeller which are 6DT, 6PDTU and 6PDTD is researched when the impeller height is 100 mm,130 mm and 170 mm.The Results show that: (1)As for the three impellers, two vortexes are formed in the stirred tank. With the increase of the impeller height, the interface between the upper swirl and the lower swirl is moved upward, the range of the upper swirl becomes smaller, while the range of the lower swirl becomes larger.(2)As for the three impellers, with the increase of the impeller height, the turbulent region becomes larger, and the whole mixing effect is more better.(3)As for the three impellers, with the increase of the impeller height, the power consumption of the stirred tank decreases. It indicates that when the impeller height is higher, the energy loss in fluid flow process is more little. Key words: stirred tank; Computational Fluid Dynamics; impeller height; flow field; mixing power目 录第一章 前言1第二章 搅拌槽内流体流动的研究现状22.1 搅拌槽内流体流动的实验研究22.2 搅拌槽内流体流动的数值模拟32.3 搅拌槽实验研究与数值模拟的结合4第三章 研究目的、内容和方法53.1 研究目的53.2 研究内容53.3 研究方法53.3.1 计算流体力学53.3.2 CFD软件结构63.3.3 CFD模拟技术63.3.4 计算流体动力学的工作步骤7第四章 搅拌槽内单相流动的数值模拟84.1 模拟计算的前处理84.1.1 建立几何模型84.1.2 划分网格94.1.3 确定边界条件104.1.4 湍流模型104.1.5 设定收敛残差104.1.6 设定时间步长104.1.7 迭代计算114.2 搅拌槽内流动场的数值模拟114.2.1 6DT桨不同桨叶高度时搅拌槽内流动场的数值模拟114.2.2 6PDTU桨不同桨叶高度时搅拌槽内流动场的数值模拟124.2.3 6PDTD桨不同桨叶高度时搅拌槽内流动场的数值模拟134.3搅拌功率P和功率准数Np的比较154.4小结16第五章 总结与展望175.1总结175.2展望17参考文献17致 谢19第一章 前言搅拌槽是一种带有叶片的轴在圆筒或槽中旋转，将多种原料进行搅拌混合，使之成为一种混合物或适宜粘度的设备，其广泛应用于化工、食品、冶金、造字、石油和水处理等过程中，并且在工业过程中起着非常重要的作用。搅拌混合是化工行业最古老、最常规的单元操作。槽内流场直观的描述了槽内流体流动的基本特性，是更近一步研究槽内传质、传热、混合以及制备乳液、悬浮液的基本依据。搅拌槽内流场具有三维和高度不确定的随机湍流特点，影响因素多，理论分析难度大，实验测量和数值模拟是取得槽内流场详尽信息的两种重要手段。对搅拌槽内流动场的深入研究，会将槽内的混合技术推向一个更理性的高度，也提高了搅拌槽工程设计的可靠性1。随着计算机技术和计算流体力学CFD(Computational Fluid Dynamics)的快速发展，对搅拌槽内流动场进行数值模拟的研究工作在近几年迅速发展起来。其具有实验测量不可比拟的优势，逐渐成为科学研究的重要手段。利用CFD对搅拌槽进行数值模拟，在时间和空间上定量描述流体流动、传热及相关物理现象的数值解，具有理论性和实践性的双重特征。利用CFD对搅拌槽进行数值模拟，可以使槽内的实际现象可视化，人们可以直观的了解槽内的混合情况，消除存在的问题，对搅拌槽进行结构优化设计，在获得实验手段不能得到的数据的同时，大大节省了研究经费，为新型高效搅拌设备的研究开辟了一个新途径。本文借助Ansys Workbench平台，利用流体分析软件CFD实现桨叶高度对搅拌槽内流动场影响的数值模拟。利用数值模拟的灵活性、可重复性、低成本的特点，通过改变搅拌槽桨叶高度，得到各不同高度对搅拌槽内流动场的影响规律，为实验研究奠定一定的基础，对提高搅拌槽的工作效率具有一定的指导作用。第二章 搅拌槽内流体流动的研究现状对搅拌槽内流动特性的研究是从实验研究和数值模拟两个方面进行的。2.1 搅拌槽内流体流动的实验研究实验研究方面，早期主要是采用毕托管、纹影照相和热膜风速仪，而现在的测试手段主要是激光多普勒测速仪以及PIV等。早期的研究者由于测试仪器的落后，所得到的实验结果存在较大差异。随着测试技术的发展，特别是激光多普勒测速的不断完善，对搅拌槽内流动特性的研究逐渐深入，所得的研究结果也逐渐趋向一致。搅拌槽内部流动场是极其复杂的随机三维流动，搅拌桨在槽内造成的流动形式，对固体小颗粒、液体、气体的混合，气体的溶解及热量的传递有重要的影响。采用圆柱坐标系将这种流动分解成径向流、轴向流和混合流，对应的搅拌桨即分为径向流搅拌桨、轴向流搅拌桨和混合流搅拌桨。典型的径向流搅拌桨是RUSHTON桨，其流型如图2-1所示。在桨叶作用下，流体在叶轮出口处产生强烈的径向运动，流体碰到槽壁后分为上下两股，向上流动的流体到达液面后和向下流动的流体到达槽底后，分别沿着搅拌轴再次返回到桨叶区，如此在槽的底部和上部形成两个循环区。对于所有的径向流搅拌桨来说，圆盘是产生径向流的主要原因。对于轴向流搅拌桨，流体在桨叶的作用下，先向下流动，碰到槽底后转向沿槽壁向上流动，到达液面后，再沿轴向向下流回桨叶区，形成简单的“单循环”流动形式，其流型如图2-2所示。流体对桨叶产生的升力的反作用力是形成轴向流的主要原因。在工程实际中，径向流搅拌桨和轴向流搅拌桨各有优势和缺点，其各自使用的场合也大不相同。径向流搅拌桨能够在桨叶末端产生很强的剪切作用，易形成湍流流动，有利于各相的均匀混合，但是它把搅拌槽内的介质分为以搅拌桨为界的上下两个循环区，使搅拌槽的整体循环混合效果变差。轴向流搅拌桨可使流体产生较强的轴向流动，整体循环能力强，但剪切能力较弱，局部混合效果较差。斜叶搅拌桨是一种介于径向流和轴向流之间的搅拌桨，它所产生的流动有时类似轴向流，有时又类似径向流。国内外学者对搅拌槽进行了广泛的实验研究。Costes等2研究了Rushton桨搅拌槽内的平均流场和湍流特性，通过分析挡板所在平面和相邻两挡板中间平面处的速度矢量图，得出在高雷诺数下，槽内无因次的平均速度和脉动速度的分布几乎与雷诺数无关。王平玲等3研究设计了一种扭弯叶片轴流式搅拌器(简称JH-2型)，和三折叶桨相比，至少可节省20%-30%的功率，适用于中低粘度介质的液-液、液-固反应及传热、搅拌工艺。 图2-1 径向流搅拌桨流型图 图2-2 轴向流搅拌桨流型图2.2 搅拌槽内流体流动的数值模拟随着计算机科学技术、流体力学等学科的迅猛发展，出现了一门新的交叉型学科，即计算流体力学CFD(Computational Fluid Dynamics)，该技术的出现极大地促进了搅拌混合研究。流场分析是CFD技术应用中的重要一环。CFD可以模拟不同搅拌桨型式、尺寸和离底距离等对槽内流动场的影响。CFD模拟结果的可视化，使用户可以直观的了解槽内的流场分布情况，指导用户进行搅拌槽结构的优化设计，使搅拌槽达到很好的混合效果。由于数值模拟大大减少了实验工作量和缩短了实验周期，并能够提供实验方法所不能获得的信息，因而越来越受到研究者的重视，对搅拌设备的开发和性能测试带来革命性的变化。侯拴弟等4对轴流桨搅拌槽三维流场进行了研究，在k-湍流模型下成功预测了搅拌槽在不同操作条件下的宏观速度场，得出了搅拌槽内宏观流动场受搅拌桨槽径比影响较大的结论。李志鹏5对CBY搅拌桨进行了数值分析，模拟了CBY 桨的流动场。并从宏观上定量地比较了搅拌桨功率准数的计算值与实验值之间的误差，分析认为这种误差是由网格、计算模型、桨叶实体模型等方面的原因引起的。高勇等6研究了中心龙卷流型搅拌槽内流动场。通过对其内部流场进行数值模拟，分析得出以下结论：中心龙卷流型搅拌槽的功率准数较小，节能效果显著；导流板结构不同，对流场会产生比较大的影响。王振松等7对固-液搅拌槽内槽底流场进行了CFD模拟，使用标准k-模型计算了清水与固液两相的流场，考察了槽内流场的分布对固体颗粒悬浮状况的影响。董厚生等8对搅拌槽内固液两相流进行了数值模拟及功率计算。使用计算流体动力学的方法对搅拌槽中的流场进行模拟，得到搅拌槽中液体的流动状况和体积分数分布。周国忠9-10利用CFD软件对单层和双层六直叶涡轮桨搅拌槽内的混合过程进行了数值研究，其研究侧重于模拟方法的比较。2.3 搅拌槽实验研究与数值模拟的结合通过实验测试得到的结果是比较可靠的，但是由于搅拌槽内流体流动高度的不稳定性，测量的某些参数与实际过程有很大的差异。通过对搅拌槽的数值模拟，可视化显示槽内流场的具体细节，获得较为真实的结果。因此，将实验研究与数值模拟有机的结合起来是行之有效的研究方法，由此得到的研究结果对搅拌设备的设计和选型具有重大的现实意义。聂毅强1利用计算流体软件CFD，采用高密度网格、k-湍流模型，计算了清水体系中CBY与PBT桨以及0.6%CMC水溶液体系中PBT桨的三维流动场。利用数值方法得到了流场中不同位置的三维时均速度，并将数值模拟结果与实验数据进行了比较。计算结果表明：在高密度的网格下，轴向时均速度分布与实测结果吻合，但计算所得叶轮区轴向速度最大值偏大；清水体系中径向速度的计算值与实测值都很小，约0.05m/s以下，计算所得切向时均速度比实测值小。0.6%CMC水溶液中，计算所得切向时均速度与实测值吻合很好，径向时均速度与实测值相差较大。第三章 研究目的、内容和方法通过上一章对搅拌槽的实验研究和数值模拟的总结概述，结合现有的研究条件，确定了本论文的研究目的、内容和方法。3.1 研究目的利用CFD对搅拌槽内单相流场进行研究，重点分析不同桨叶高度对搅拌槽内流动场和搅拌功率的影响规律，为搅拌槽的工业应用提出建议。3.2 研究内容针对本论文的研究目的，主要研究内容如下：（1）当6DT桨时，研究桨叶高度为100mm、130mm、170mm时搅拌槽内的流动特性和功率消耗。（2）当6PDTU桨时，研究桨叶高度为100mm、130mm、170mm时搅拌槽内的流动特性和功率消耗。（3）当6PDTD桨时，研究桨叶高度为100mm、130mm、170mm时搅拌槽内的流动特性和功率消耗。3.3 研究方法本研究应用Ansys Workbench平台，利用流体分析软件CFD实现桨叶高度对搅拌槽内流动场影响的数值模拟。3.3.1 计算流体力学计算流体力学CFD（Computational Fluids Dynamics）是以经典流体力学、数值计算方法和计算机技术为基础，是对包含有流体流动和热传递等物理现象进行分析的一种研究方法。起初，CFD被认为只适合高科技领域，而且只有通过专业训练的人员才能掌握使用。近几十年以来，随着计算机技术和CFD软件的进一步开发，简单的操作平台和友好的用户界面使得CFD的应用更加普及，其应用已遍及航空、水力、电力、化工、冶金、生化工程等诸多领域。CFD软件是在三大守恒方程(质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程)的控制下对流体流动进行数值模拟，具有适应性强，应用面广的特点。所有涉及流体流动、热交换、化学反应等问题，基本都可以通过此软件进行分析。CFD也存在局限性，其结果往往有一定的误差。同时，CFD涉及大量的数值计算，需要较高的计算机软硬件配置11。3.3.2 CFD软件结构CFD 软件的目的是解决流体流动问题。所有商业CFD软件都提供了用户界面来输入参数和检查计算结果，其由三部分组成：前处理器，解算器，后处理器。前处理器就是为解算器定义待解决问题的各项参数。前处理过程需要做的工作有：定义计算域；对计算域进行网格划分；定义待解问题的类型和选择适用于待解问题的模型；定义流体的属性；确定边界条件。解算器的任务就是对一系列的方程组进行求解。后处理器用于对模拟结果进行查看、处理和输出。随着计算机图形技术的发展，CFD软件中的可视化功能越来越强大。它包括：计算域和网格的显示；矢量图、云图的呈现；动画播放；图形的旋转、平移、放大等。3.3.3 CFD模拟技术在搅拌槽中，存在着运动的搅拌桨、搅拌轴和静止的挡板、槽壁，其所围出的流动域的形状是随时间变化的。解决运动的桨叶和静止的挡板之间的相互作用的方法主要有：“黑箱”模型法、动量源法、内外迭代法、多重参考系法和滑移网格法。（1）“黑箱”模型法“黑箱”模型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。由于不需要考虑桨叶区网格，处理简单。但边界条件数据的获得需要通过实验来确定，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。（2）动量源法为了消除桨叶区边界条件受实验的限制，研究者开发出了新的途径以实现对搅拌槽内流动场的模拟。基于对桨叶区流体流动的分析，1987 年 Pericleousl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。（3）内外迭代法内外迭代法是将搅拌槽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，在以搅拌桨速度旋转的参考系内进行计算。外环包括静止的挡板等，在静止坐标系下进行计算。通过在两个区域之间交替迭代计算，获得一个收敛结果。此法比“黑箱”模型法有了很大的进步，不再需要实验数据，实现了搅拌槽流动场的整体数值模拟。但这种方法在计算时需要试差迭代，收敛速度较慢。（4）多重参考系法多重参考系法仍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，不再需要内外迭代运算，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，因而计算变的更加简单。（5)滑移网格法滑移网格法和多重参考系法对区域的划分是相同的，将计算域分成分别包含旋转的桨叶和静止的挡板的两个区域。不同的是，在两个域交界面处有网格之间的相对滑移。滑移网格法的不足在于计算时需要大量的计算时间以及复杂的后处理过程。3.3.4 计算流体动力学的工作步骤运用CFD对流体流动现象进行数值模拟，一般包含下列四个步骤:（1)建立反映工程实际问题本质的数学模型。（2)寻求高效率以及高准确度的计算方法，如有限元法、有限差分法、有限体积法等。（3)编制程序进行计算。包括划分计算网格、指定初始条件和边界条件、设定控制参数等。（4)显示和处理计算模拟结果。第四章 搅拌槽内单相流动的数值模拟搅拌槽内流体流动是复杂的湍流状态，通过实验测定完全获得搅拌槽内流体的流动状况，是一项昂贵费时的工作，也是不现实的想法。利用CFD方法对搅拌槽进行单相流动数值模拟，定性分析不同桨叶高度对槽内流动场和搅拌功率的影响，为搅拌槽的工业开发及应用提供一定的参考作用。4.1 模拟计算的前处理4.1.1 建立几何模型模拟对象为一平底单层桨搅拌槽，槽内均布四块挡板，几何尺寸如表4-1所示。由于搅拌槽几何形状和槽内流体流动的对称性，模拟时选用1/2搅拌槽作为计算域，如图4-1所示。桨叶形式分别为六直叶圆盘桨(6DT)、六叶上斜叶桨(6PDTU)和六叶下斜叶桨(6PDTD)，几何模型如图4-2所示。槽内搅拌介质为水，其密度为1000Kgm-3，粘度为1mPas，模拟时设定的搅拌轴转速为300 rmin-1。图4-1 单层桨搅拌槽模型图 （a）DT桨 （b）PDTU桨 （c）PDTD桨图4-2 搅拌桨模型图表4-1 搅拌槽几何尺寸名称符号数值（mm）筒体直径D300筒体高度h300桨叶直径d100（=T/3）转轴直径D115叶轮圆盘直径D275圆盘厚度4叶片长度L25叶片高度h120桨叶高度h2、h3、h4100、130、170挡板数目Nb4个挡板宽度Wb30（=T/10）4.1.2 划分网格 对任何问题进行计算时，首先要对问题进行一定的简化，建立物理模型，然后将空间上连续的计算域进行剖分，把它划分成许多子区域，并确定每区域中的节点，即生成网格。目前生成网格的方法可以分为两大类：结构化网格和非结构化网格。当计算域为比较规则的几何模型时，可以采用结构化网格进行网格划分。当计算域比较复杂时，这时采用非结构化网格进行网格划分。由于本次模拟所选用的搅拌桨和搅拌槽结构的不规则，其网格划分均采用非结构化网格，对桨叶、挡板及转动轴进行了网格细化，以便更好的捕捉其附近的流动特性。并且在所有壁面处应用Inflation这一网格特性，以保证壁面处的速度变化不至于太大。图4-3、4-4、4-5为桨叶网格划分图，图4-6为Inflation网格细化图。图4-3 DT桨网格 图4-4 PDTU桨网格图4-5 PDTD桨网格 图4-6 Inflation网格细化4.1.3 确定边界条件结合搅拌槽结构特点和流体性质，设定边界条件如下：（1）将动区域内的流体设定为与搅拌桨相同的转速进行旋转，而静止区域内的流体则是静止的。（2）将轴和桨定义为动边界，边界类型均为壁面边界。其中搅拌轴处于静止流体区域内，相对于区域内流体是运动的；搅拌桨处于运动流体区域，且和周围的流体以同样的转速进行运动，因此相对于区域内流体是静止的。（3）由于搅拌桨距离自由液面较远，可以认为其对自由液面影响很小，自由液面处的流体几乎没有运动，因此将自由液面定义为自由滑移壁面。（4）将挡板表面及槽壁定义为静止壁面边界条件。4.1.4 湍流模型湍流模型是用来分析流体流动的最常见的模型，它是基于连续性方程、N-S方程和标准k-模型用来模拟搅拌槽内的湍流流动。湍流模型可以更好的解决高应变率和流线弯曲程度较大的流体流动。在壁面处，为了确定固壁附近流体的流动，需要使用标准壁面函数法。标准壁面函数法的基本思想是：只在湍流核心区使用RNGk-模型求解，对壁面区流体的流动不需要进行求解，而是直接使用半经验公式将壁面处的物理量和湍流核心区内的求解变量联系起来，直接得到与壁面相邻控制体积的节点变量值。4.1.5 设定收敛残差对流动场进行模拟时，设定各流动变量的收敛残差为10-4。4.1.6 设定时间步长为了确保模拟结果的准确性，设定的时间步长不应过大或过小。本次数值模拟时间步长均采用0.5s。4.1.7 迭代计算设定一定的迭代步数，进行迭代计算，直至收敛。本次数值模拟迭代步数一般设定为100步。4.2 搅拌槽内流动场的数值模拟4.2.1 6DT桨不同桨叶高度时搅拌槽内流动场的数值模拟6DT桨属于径向流搅拌桨，由于离心力的作用，旋转的桨叶把动量传递给它周围的流体，使其沿径向排出，形成高速的射流，遇到挡板和槽体时分成两股，分别向搅拌槽上下部运动。漩涡的分界面基本处于桨叶中间所在的平面，整个搅拌槽内的流型以径向流为主，最大速度出现在叶片端部。图4-7所示分别是桨叶高度为100 mm、130 mm、170mm时纵截面速度矢量图。由图可见：当桨叶高度为100mm时，整个搅拌槽内形成上大下小的两个漩涡，上部漩涡流速较小，下部漩涡流速较大，且上部漩涡不规则，靠近液面处流体流动比较紊乱；当桨叶高度为130mm时，整个搅拌槽内形成上下两个范围大小基本相等的漩涡，两漩涡流速基本持平，且流体流动比较规则、稳定；当桨叶高度为170mm时，在搅拌槽内形成上小下大的两个漩涡，上部漩涡流速较大，下部漩涡流速较小，整体流动趋势稳定。 （a）桨叶高度100mm （b）桨叶高度130mm （c）桨叶高度170mm 图4-7 6DT桨不同桨叶高度时搅拌槽纵截面处速度矢量图图4-8所示分别是桨叶高度为100mm、130mm、170mm时纵截面速度云图。由图可见：当桨叶高度为100mm时，槽内流体流速不均匀，搅拌槽上部流体流动不充分，整体混合效果差；当桨叶高度为130mm时，槽内流体流速比较均匀，搅拌槽上部流体流动不充分的区域缩小，整体混合效果较理想；当桨叶高度为170mm时，槽内流体流速分布均匀，搅拌槽上部流体流动不充分的区域进一步缩小，整个搅拌槽流体流动充分，整体混合效果理想。同时，随着桨叶高度的增加，桨叶附近的径向射流区域随之增大，流动死区随之缩小。 （a）桨叶高度100mm （b）桨叶高度130mm （c）桨叶高度170mm图4-8 6DT桨不同桨叶高度时搅拌槽纵截面处速度云图4.2.2 6PDTU桨不同桨叶高度时搅拌槽内流动场的数值模拟6PDTU搅拌桨所产生的流场介于径向流与轴向流之间。桨叶端部的合成速度是向上倾斜的，尤其在靠近搅拌桨处。由于6PDTU桨对流体的上扬作用，使得流体产生高速向上的轴向流，将桨叶下部流体运送到桨叶上部，使从桨叶末端甩出的流体沿斜上方排出，到达槽壁与槽壁碰撞后沿槽壁分别向上下流动，形成两个循环流动，流体之间剧烈的轴向作用，使整个搅拌槽混合均匀。6PDTU搅拌桨的上扬运动使搅拌槽内漩涡的分界面高于桨叶所在平面。图4-9所示分别是桨叶高度为100mm、130mm、170mm时纵截面速度矢量图。由图可见：当桨叶高度为100mm时，搅拌槽内形成上下两个范围大小基本相等的漩涡，上部漩涡流速较小，下部漩涡流速较大，靠近搅拌轴处流体流动比较紊乱；当桨叶高度为130mm时，搅拌槽内形成上小下大的两个漩涡，两漩涡流速都有所增大，流体流动光滑规则；当桨叶高度为170mm时，搅拌槽内上部漩涡进一步缩小，下部漩涡进一步扩大，两漩涡流速基本持平。 （ （a） 桨叶高度100mm （b）桨叶高度130mm （c） 桨叶高度170mm图4-9 6PDTU桨不同桨叶高度时搅拌槽纵截面处速度矢量图图4-10所示分别是桨叶高度为100mm、130mm、170mm时纵截面速度云图。由图可见：当桨叶高度为100mm时，槽内流体流速分布不均匀，搅拌槽上部流体流动不充分，整体混合效果较差；当桨叶高度为130mm时，槽内流体流速比较均匀，搅拌槽上部和下部流体流动不充分的区域缩小，整体混合效果较理想；当桨叶高度为170mm时，槽内流体流速分布均匀，搅拌槽上部和下部流体流动不充分的区域进一步缩小，整体混合效果理想。同时，随着桨叶高度的增加，桨叶附近的轴向射流区域随之增大，流动死区随之缩小。 （a）桨叶高度100mm （b）桨叶高度130mm （c）桨叶高度170mm图4-10 6PDTU桨不同桨叶高度时搅拌槽纵截面处速度云图4.2.3 6PDTD桨不同桨叶高度时搅拌槽内流动场的数值模拟6PDTD搅拌桨所产生的流场介于径向流与轴向流之间。该桨叶端部的合成速度是向下倾斜的，在靠近搅拌桨处更为明显。由于6PDTD桨对流体的下压作用，使得流体产生高速向下的轴向流，将桨叶上部的流体运送到桨叶下部，使桨叶末端甩出的流体沿斜下方排出，到达槽壁与槽壁碰撞后沿槽壁分别向上下流动，形成两个循环流动。流体之间剧烈的轴向作用，使整个搅拌槽混合更均匀。6PDTD搅拌桨的下压运动使搅拌槽内两漩涡的分界面低于桨叶所在平面。图4-11所示分别是桨叶高度为100mm、130mm、170mm时纵截面速度矢量图。由图可见：当桨叶高度为100mm时，搅拌槽内形成上大下小的两漩涡，上部漩涡流速较小，下部漩涡流速较大，靠近搅拌轴处流体流动比较紊乱；当桨叶高度为130mm时，搅拌槽内形成上大下小的两漩涡流，上部漩涡流速增大，下部漩涡流速减小，流体流动比较规则；当桨叶高度为170mm时，搅拌槽内形成两个范围大小基本相等的漩涡，上部漩涡流速进一步增大，下部漩涡流速进一步减小。 （a）桨叶高度100mm （b）桨叶高度130mm （c）桨叶高度170mm图4-11 6PDTD桨不同桨叶高度时搅拌槽纵截面处速度矢量图图4-12所示分别是桨叶高度为100mm、130mm、170mm时纵截面速度云图。由图可见：当桨叶高度为100mm时，槽内流体流速不均匀，搅拌槽上部流体流动不充分，整体混合效果较差；当桨叶高度为130mm时，槽内流体流速比较均匀，搅拌槽上部流体流动不充分的区域缩小，整体混合效果较理想；当桨叶高度为170mm时，搅拌槽上部流体流动不充分的区域进一步缩小，整个搅拌槽内流体流动充分，整体混合效果理想。同时，随着桨叶高度的增加，桨叶附近的轴向射流区域随之增大，流动死区随之缩小。 （a）桨叶高度100mm （b）桨叶高度130mm (c)桨叶高度170mm 图4-12 6PDTD桨不同桨叶高度时搅拌槽纵截面处速度云图4.3搅拌功率P和功率准数Np的比较搅拌功率是指搅拌槽在进行搅拌时，在单位时间里，输入槽内对物料做功并使之发生流动的能量，它不包括在轴封和传动装置中消耗的能量，搅拌功率与搅拌槽的结构，搅拌桨的形状、尺寸和转速，液体性质和内部附件（有无挡板和其它障碍物），搅拌桨在槽内位置以及重力加速度等有关11。通过模拟可以得到扭矩值，搅拌功率P与扭矩M的转换公式： （4.1）由公式（4.1）得出： (4.2)式中：P为搅拌功率（KW），M为搅拌扭矩（Nm），N为搅拌转速（r/min）。功率准数Np是雷诺数Re的函数，其中 (4.3)式中：D为搅拌槽的直径，为流体的密度，为流体的黏度。对于一定几何结构的搅拌槽，Np与Re的函数关系可由实验测定，将这函数关系绘成曲线称为功率曲线。功率准数Np与搅拌功率P之间的关系为： (4.4)式中：P为搅拌功率（W），N为搅拌转速（r/s），D为搅拌槽的直径（m），为流体的密度（kg/m3）。由公式4.2和公式4.4可以计算出各种情况下的搅拌功率和功率准数如表4-2、4-3和4-4所示。计算时由于轴的扭矩与桨叶的扭矩相比太小，故在计算功率时只考虑桨叶的扭矩。表4-2 6DT桨搅拌功率 类型 项目 桨叶形式为6DT桨叶高度100mm桨叶高度130mm桨叶高度170mm桨叶扭矩M（Nm）1.1510-21.0210-21.0010-2功率P（W）0.360.320.31功率准数Np1.191.051.02表4-3 6PDTU桨搅拌功率 类型 项目 桨叶形式为6PDTU桨叶高度100mm桨叶高度130mm桨叶高度170mm桨叶扭矩M（Nm）0.9410-20.8610-20.810-2功率P（W）0.300.270.25功率准数Np1.000.890.82表4-4 6PDTD桨搅拌功率 类型 项目 桨叶形式为6PDTD桨叶高度100mm桨叶高度130mm桨叶高度140mm桨叶扭矩M（Nm）0.8110-20.7210-20.6910-2功率P（W）0.250.230.21功率准数Np0.820.750.70由上述三表可见：（1）对于同种桨叶，桨叶高度100mm时功率准数最大，桨叶高度130mm时功率准数居中，桨叶高度170mm时功率准数最小。说明桨叶高度越高，流体在流动过程中的能量损失越小，所需搅拌功率越小。（2）对于相同桨叶高度，6DT桨功率准数最大，6PDTU桨功率准数中等，6PDTD桨功率准数最小。说明6DT桨能量损耗最大，6PDTU桨能量损耗中等，6PDTD能量损耗最小。4.4小结利用CFD软件对不同桨叶高度时搅拌槽内流动特性和搅拌功率进行了数值模拟，得到如下结论：（1）随着桨叶高度的增加，搅拌槽上部漩涡缩小，下部漩涡增大。（2）随着桨叶高度的增加，搅拌槽中的流体流动死区减小，搅拌槽整体混合效果改善。（3）桨叶高度越小，搅拌槽底部流体流动越充分。反之，桨叶高度越高，搅拌槽顶部流体流动越充分。（4）随着桨叶高度的增大，能量损耗随之减小，所需搅拌功率随之下降。（5）相同桨叶高度下，6DT桨能量损耗最大，6PDTU桨能量损耗居中，6PDTD桨能量损耗最小。第五章 总结与展望5.1总结本文利用CFD软件对搅拌槽内宏观流动场的单相流动和搅拌功率进行了数值模拟，定性分析了桨叶形式不同、桨叶高度不同对搅拌槽内流动场和搅拌功率的影响。模拟结果表明:上述因素对槽内宏观流动场和搅拌功率的影响显著。共得出以下主要结论：（1）随着桨叶高度的增加，搅拌槽上部漩涡缩小，下部漩涡增大，槽中流体流动死区减小，搅拌槽整体混合效果得到改善。（2）桨叶高度越小，搅拌槽底部流体流动越充分。反之，桨叶高度越高，搅拌槽顶部流体流动越充分。（3）桨叶高度越大，能量损耗越小，所需搅拌功率越小。（4）相同桨叶高度条件下，6DT桨能量损耗最大，6PDTU桨居中，6PDTD桨最小。5.2展望由于水平和时间的限制，本文工作还存在着一些不足之处，还有一些问题有待于进一步研究，主要表现在：(1)本研究在计算过程中使用的网格在桨叶部分划分较密,而在其他远离搅拌桨的流体区域网格较稀疏，这可能引起远离搅拌桨处模拟结果误差偏大，但随着计算机性能的不断提高可以在这方面得到改进。(2)由于时间的限制,本文仅对桨叶高度对搅拌槽内流动场和搅拌功率进行了模拟分析，对混合特性有待进一步研究。参考文献1聂毅强.撹拌槽内三维流动场的实验测量与数值模拟D.北京:北京化工大学，2001.2 Costes J，Coudere J P. Study by laser Doppler anemometry of the turbulent flow indueed by a Rushton turbine in a stirred tank：Influence of the size of the units-1.Mean flow and tuebuleneeJ.Chemical Engineering Science，1988，43(10)：2751-2764.3王平玲，沈惠平，张锁龙.一种高效节能型轴流式搅拌桨的研究与设计J.煤矿机械，2006，27(11)：23-26. 4侯拴弟，张政，王英琛，等. 轴流桨搅拌槽三维流场数值模拟J.化工学报，2000，51(1)：70-76.5李志鹏.CBY搅拌桨叶的数值模拟D.北京：北京化工大学，20046高勇，郝惠娣，王勇，等. 基于CFD的中心龙卷流型搅拌槽数值分析J.石油化工设备，2012，41(4)：27-31. 7王振松，李良超，黄雄斌. 固-液搅拌槽内槽底流场的CFD模拟J.北京化工大学学报，2005，32(4)：5-9. 8董厚生，魏化中，舒安庆，等. 搅拌槽内固液两相流的数值模拟及功率计算J.化工装备技术，2012，33(1)：14-16.9周国忠，王英琛，施力田.用CFD研究搅拌槽内的混合过程J.化工学报，2003，54，886-890.10周国忠.搅拌槽内流动与混合过程的实验研究及数值模拟D.北京：北京化工大学，2002.11高勇.双层桨自吸式搅拌槽的数值模拟及实验研究D.西安：西北大学，2010.致 谢本论文是在导师*的悉心指导和帮助下完成的。高老师渊博的学识、精辟独到的见解为我在研究方向上指点迷津；严谨求是的治学态度、勤恳认真的工作作风在研究过程中给与我莫大的鞭策；正直的人品、谦逊的为人更让我钦佩不已。四年来*老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，在此谨向我尊敬的恩师表示最衷心的感谢!感谢在课题研究期间给予我关心和帮助的所有老师和同学，对他们致以深深的谢意。我还要深深感谢我的亲人们，正是因为他们在生活上无微不至的关怀和精神上极大的支持和鼓励，才使我顺利完成了四年的大学学业，充实而愉快地渡过了人生一个重要的阶段。 二O一三年五月袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈