桨叶类型对搅拌槽固液流动特性 影响的数值模拟研究

搅拌槽内固液两相的复杂流动一直是许多实验与数值模拟研究的课题之一,本文主要对3种安装不同类型桨叶的挡板搅拌槽进行了数值模拟研究:六斜叶开启涡轮(PBT6)、六直叶开启涡轮(FBT6)和Rushton涡轮(RT6)。数值模拟采用基于欧拉-欧拉方法的双流体模型和处理混合特性的标准k-ε湍流模型,并得出不同桨叶类型的模拟数据,分析并对比不同类型桨叶的固液流动特性,研究结果表明,PBT6产生轴向流,RT6和FBT6产生径向流,且RT6的搅拌性能优于FBT6。     

组合桨的气液搅拌特性实验研究

对 6种三层组合搅拌桨的功率准数及传质特性进行了实验研究。结果表明 ,1层径流型桨叶和2层混流型桨叶的组合 ,综合性能优于其他形式搅拌桨的组合 ,其功率准数比六直叶圆盘涡轮式桨叶减少 4 0 % ,且在通气下其功率下降最小 ,而传质系数Kla与最大的三层六直叶圆盘涡轮搅拌桨相当     

双层桨搅拌槽内部流场的实验研究

运用计算流体动力学（CFD）方法对双层桨搅拌槽内部流场进行数值模拟。考察了流体在不同桨叶类型、不同桨叶间距对搅拌槽内宏观流动场的影响。研究发现：流体在桨叶间距为150 mm的双层桨内部流场流动效果好。在此间距的基础上得出流体在六圆盘上斜叶桨的搅拌槽内比六圆盘直叶桨搅拌槽内混合效果好。     

搅拌槽内桨叶安装高度的数值模拟

采用CFD软件对搅拌槽内的气、液、固三相流动状态进行了数值模拟,桨型采用的是六直叶圆盘涡轮桨,具体从桨叶安装高度进行细致的数值分析,得出能够获得槽内良好固液悬浮性能下的最优化结构,并和标准搅拌槽进行对比,本研究为工业中搅拌槽的结构优化和放大提供了理论基础。     

双层圆盘涡轮式搅拌器的CFX流场模拟

利用最新流体力学软件ANSYS-CFX12.0对双层六直叶圆盘涡轮搅拌槽内流场进行了数值模拟。采用湍流模型成功的模拟了搅拌槽内的流动,并与对应实验结果进行了对比;考察了同转速,不同搅拌层间距、底搅拌层离底高度下的流场分布,给出了湍流动能分布图,对其搅拌效果的影响进行分析,为该领域研究者提供了借鉴。     

半圆管曲面涡轮搅拌槽内混合特性的数值模拟

在商业化软件ANSYS CFX 10.0平台上,采用多重参考系法来解决挡板与桨叶之间的相对转动问题,由标准k-ε模型对半圆管曲面涡轮搅拌槽内流动和混合过程进行了详细的数值模拟,本模拟所得的功率准数和设计值以及相关文献值吻合良好。结果表明：当搅拌桨离底距离由搅拌槽直径的1/2处变为1/3处时,搅拌槽内的流型均为典型的“双循环流型”,而当搅拌桨离底距离由搅拌槽直径的1/3处降低至1/6处时,槽内流型由典型的“双循环流型”转变为“单循环流型”;通过对不同时刻不同桨叶离底距离下的示踪剂浓度分布图分析表明槽内的混合过程与流动场密切相关;加料点位置对于最终的流场混合效果有着显著影响,对于混合时间数据的采集应注意不同加料位置时监测点的选取。CFD模拟结果表明本文所采用的模型可以很好的预测半圆管曲面涡轮搅拌槽内的混合特性,为进一步改进和优化半圆管曲面涡轮的设计提供了一定的参考。     

径向流涡轮桨搅拌槽内流动场的数值模拟

采用计算机辅助工程软件ANSYS10.0中的FLOTRAN CFD模块,对单层径向流涡轮桨搅拌槽内的流动场进行了数值模拟.研究了涡轮形式、涡轮安装位置、涡轮尺寸对流场的影响.结果表明:当搅拌转速较低时采用六直叶涡轮,而转速较高时采用六平叶圆盘涡轮较为合理;当D=(1/3、1/2)T、C=(3/10～4/10)T时,流场分布均匀,平均流速较高,介质表面速度分布合理,视为最佳直径与安装高度.应用本文所述方法可优化搅拌设备的设计.     

刚柔组合搅拌桨与刚性桨调控流场结构的对比

高黏度流体处于层流状态时,普遍存在的混合隔离区,降低了流体的混合效率。减小或消除隔离区,是实现流体高效混合的基本途径。采用实验研究与数值模拟相结合的方法,对刚性六直叶涡轮桨(刚性桨)和刚柔组合六直叶涡轮桨(组合桨)的流场结构进行研究,对比分析了两种桨叶在相同功耗(3 kW·m-3)时的轴向、径向和切向的速度矢量图、速度云图以及速度分布散点图。结果表明,刚性桨的能量集中在桨叶尖端部分,远离桨叶区域的流体速度很小甚至为0 m·s-1;而组合桨可将能量从桨叶尖端扩散至全槽,使槽内流体均具有一定的流速,提高了混合效率,且显色实验与数值模拟结果一致,组合桨体系的混合隔离区在短时间内就可消除,混合良好,而刚性桨体系的混合隔离区始终存在,混合效果不佳。     

刚柔组合搅拌桨与刚性桨调控流场结构的对比

高黏度流体处于层流状态时,普遍存在的混合隔离区,降低了流体的混合效率。减小或消除隔离区,是实现流体高效混合的基本途径。采用实验研究与数值模拟相结合的方法,对刚性六直叶涡轮桨（刚性桨）和刚柔组合六直叶涡轮桨（组合桨）的流场结构进行研究,对比分析了两种桨叶在相同功耗（3 kW·m^-3）时的轴向、径向和切向的速度矢量图、速度云图以及速度分布散点图。结果表明,刚性桨的能量集中在桨叶尖端部分,远离桨叶区域的流体速度很小甚至为0 m·s^-1;而组合桨可将能量从桨叶尖端扩散至全槽,使槽内流体均具有一定的流速,提高了混合效率,且显色实验与数值模拟结果一致,组合桨体系的混合隔离区在短时间内就可消除,混合良好,而刚性桨体系的混合隔离区始终存在,混合效果不佳。     

涡轮桨搅拌槽内流动特性的大涡模拟

利用大涡模拟方法研究了涡轮桨搅拌槽内的流动特性,采用了三种亚格子模式:标准Smagorinsky-Lilly模式(SLM)、Smagorinsky-Lilly动力模式(DSLM)和亚格子动能动力模式(DKEM),并将模拟结果与标准k-ε模型及文献实验数据进行了详细的比较.结果表明:大涡模拟方法可获得搅拌槽内的瞬态流场;对桨叶区时均速度及湍流动能的预测与实验数据相吻合,比标准k-ε模型计算结果有明显改进,三种亚格子模型中DSLM和DKEM模拟结果更好.同时分析了大涡模拟中桨叶端部附近湍流动能估计偏差的原因,发现主要是由于对轴向湍流均方根速度的预测偏差造成的.大涡模拟方法为搅拌槽内非稳态、周期性的湍流流动和湍流特性的研究提供了强有力的工具.     

搅拌釡中层流流场的模拟

Stirred tanks are used extensively in process industry and one of the most commonly used impellers in stirred tanks is the R.ushton disk turbine. Surprisingly few data are available regarding flow and mixing in stirred-tank reactors with Rushton turbine in the laminar regime, in particular the laminar flow in baffled tanks.In this paper, the laminar flow field in a baffled tank stirred by a standard R.ushton turbine is simulated with the improved inner-outer iterative method. The non-inertial coordinate system is used for the impeller region, which is in turn used as the boundary conditions for iteration. It is found that the simulation results are in good agreement with previous experiments. In addition, the flow number and impeller power number calculated from the simulated flow field are in satisfactory agreement with experimental data. This numerical method allows prediction of flow structure requiring no experimental data as the boundary conditions and has the potential of being used to scale-up and design of related process equipment.     

各向异性k-ε湍流模型在Rushton桨搅拌槽三维流场整体数值模拟中的应用

根据搅拌槽内的流动呈各向异性的特点 ,引入适用于强旋转流场的各向异性k -ε湍流模型 ,用改进的内外迭代法对有挡板的Rushton桨搅拌槽进行了整体数值模拟 .利用文献中对搅拌槽内流场测定结果 ,给出了适用于Rushton桨搅拌槽的各向异性湍流黏度系数值 .模拟计算得到了搅拌槽内的流场分布和脉动速度分布 ,并同标准k -ε湍流模型计算结果及文献数据进行比较 .结果表明 ,各向异性k -ε湍流模型能成功反映Reynolds应力、湍流动能等湍流特征量 ,明显优于标准k -ε湍流模型 .     

Torque and bending moment acting on a flexible shaft agitated by disk turbines in a gas–liquid stirred vessel

The torque and bending moment acting on a flexible overhung shaft in a gas–liquid stirred vessel agitated by a Rushton turbine and three different curved-blade disk turbines(half circular blades disk turbine, half elliptical blades disk turbine, and parabolic blades disk turbine) were experimentally measured by a customized moment sensor. The results show that the amplitude distribution of torque can be fitted by a symmetric bimodal distribution for disk turbines, and generally the distribution is more dispersive as the blade curvature or the gas flow rate increases. The amplitude distribution of shaft bending moment can be fitted by an asymmetric Weibull distribution for disk turbines. The relative shaft bending moment manifests a "rising-falling-rising" trend over the gas flow number, which is a corporate contribution of the unstable gas–liquid flow around the impeller, the gas cavities behind the blades, and the direct impact of gas on the impeller. And the "falling" stage is greater and lasts wider over the gas flow number for Rushton turbine than for the curved-blade disk turbines.     

搅拌生物反应器的循环时间分布和混合结构模型

利用磁粒子流动跟踪法对搅拌生物反应器的循环时间分布进行测定,并将Rushton径向流桨和两种新型轴向流桨在不同介质粘度和转速下的循环时间分布进行比较和性能评价。建立了单桨搅拌生物反应器的混合结构模型,对循环时间分布数据进行拟合,求得模型参数,进而讨论了不同实验条件下模型参数的变化。结果表明,对于非牛顿、高粘度发酵过程,轴向流桨比Rushton桨具有更好的混合特性。     

Rushton搅拌釜内的气含率分布及其流动特性的模拟

利用雷诺应力模型结合多参考系法模拟了Rushton气液搅拌釜内的气液流动特性,得到了不同截面处气含率大小分布规律,并与γ射线CT实验所测得的结果做了比较,发现除排出流区CFD模拟值与实验值相差较大外,上循环区与下循环区都吻合得较好;结果表明排出流区的气含率最高,在搅拌桨高速旋转下,流体沿叶片端面急速排出,湍动也十分强烈...     

用改进的内外迭代法数值模拟Rushton涡轮搅拌槽流场

在有挡板的搅拌槽中，受搅拌桨驱动的液体在挡板的作用下会产生复杂的三维湍流流动.利用“快照”法思路和改进的内外迭代法及k–e湍流模型对Rushton涡轮有挡板的搅拌槽进行了整体数值模拟. 同文献中的实验数据进行了比较，模拟值同实验值基本吻合. 改进后的内外迭代法不依赖经验公式和实验数据，有一定的通用性.     

搅拌釜三维流场的雷诺应力模型数值模拟

引言 近年来,雷诺平均Navier-Stokes方程及其封闭方程组成的湍流模型在应用于搅拌釜复杂湍流现象的模拟上取得了成功,主要是采用标准k-ε[1]、RNG k-ε[2]等模型.     

Numerical simulation of fluid dynamics in the stirred tank by the SSG Reynolds Stress Model

The Speziale, Sarkar and Gatski Reynolds Stress Model (SSG RSM) is utilized to simulate the fluid dynamics in a full baffled stirred tank with a Rushton turbine impeller. Four levels of grid resolutions are chosen to determine an optimised number of grids for further simulations. CFD model data in terms of the flow field, trailing vortex, and the power number are compared with published experimental results. The comparison shows that the global fluid dynamics throughout the stirred tank and the local characteristics of trailing vortices near the blade tips can be captured by the SSG RSM. The predicted mean velocity components in axial, radial and tangential direction are also in good agreement with experiment data. The power number predicted is quite close to the designed value, which demonstrates that this model can accurately calculate the power number in the stirred tank. Therefore, the simulation by using a combination of SSG RSM and MRF impeller rotational model can accurately model turbulent fluid flow in the stirred tank, and it offers an alternative method for design and optimisation of stirred tanks.     

用各向异性代数应力模型数值模拟搅拌槽中的三维全流场

In accordance to the anisotropic feature of turbulent flow, an anisotropic algebraic stress model is adopted to predict the turbulent flow field and turbulent characteristics generated by a Rushton disc turbine with the improved inner-outer iterative procedure. The predicted turbulent flow is compared with experimental data and the simulation by the standard κ-ε turbulence model. The anisotropic algebraic stress model is found to give better prediction than the standard κ-ε turbulence model. The predicted turbulent flow field is in accordance to experimental data and the trend of the turbulence intensity can be effectively reflected in the simulation. The distribution of turbulent shear rate in the stirred tanks was simulated with the established numerical procedure.