螺旋桨搅拌槽内湍流运动测量及数据处理

螺旋桨搅拌槽内湍流运动测量及数据处理侯拴弟，王英琛，施力田（北京化工大学化学工程系，北京１０００２９）关键词搅拌槽，湍流运动，螺旋桨１前言轴流式搅拌槽常用于物料混匀、结晶、悬浮及催化反应等过程，是化工生产中重要的单元设备之一。纵观以往文献［１～３］，...     

搅拌槽内单相湍流流场数值模拟研究进展

搅拌槽内的流场是决定混合、传热及传质等操作的基础,对流场的研究具有十分重要的意义,计算流体动力学是研究流场的重要方法。本文回顾了搅拌数值模型的发展历程,阐述了三十年来各种搅拌流场数值模拟方法的特点及其应用情况,对比分析了各种湍流模型的优缺点,并展望了未来搅拌槽内单相湍流模型的发展方向。     

搅拌槽内湍流流场的数值模拟

搅拌槽在过程工业中的应用非常广泛,对搅拌槽内流场的研究具有十分重要的意义。实验研究方法具有局限性,基于计算流体动力学的数值模拟方法是研究流场的重要方法。文中介绍了搅拌流场的数值模拟方法和湍流模型,分析了各自的特点及其应用情况,总结了搅拌模拟时边界条件的处理情况,并指出了未来的发展方向。     

非标准挡板搅拌槽内湍流流场的数值模拟

采用分离涡模型研究了非标准挡板搅拌槽内的流体力学特性,利用滑移网格法模拟了搅拌桨与挡板之间的相对运动。在验证了模拟方法有效性的基础上,分析了挡板布置方式对搅拌槽内的流场、速度与湍动能分布以及功率消耗的影响。结果表明,挡板布置方式对搅拌槽内的流场结构影响较小,但会改变桨叶射流的方向;对速度大小有一定的影响,完全非对称布置时的速度分布最均匀;搅拌功率随挡板非对称程度的增大略有提高,标准挡板的功率消耗与夹角为20°时的功率消耗非常接近,而且标准挡板时的湍动能最大,优于非标准挡板布置方式。     

板式螺旋桨搅拌槽内的流场及其流动特性

以板式螺旋桨叶轮为例,采用相位多普勒粒子分析仪测量了直径为300 mm的平底圆筒搅拌槽内的流场;分析了时均速度、脉动速度及湍流动能的分布,以及叶轮离底间隙变化和挡板对流场的影响。结果表明:随离底间隙增大,叶轮区脉动速度和湍流动能增大,时均速度和脉动速度最大值位置向槽中心方向移动;主循环区轴向速度最大值随离底间隙增大而减小;叶轮区湍流动能较高,随离底间隙增大,湍流动能最大值增大,位置靠近叶轮端部;挡板阻碍槽内切向流动,影响湍流动能的分布,挡板前流场反映了叶轮区的湍流动能分布。     

轴流桨搅拌槽内完全湍流的研究

为研究轴流桨搅拌槽内完全湍流状况,采用相位多普勒粒子分析仪(PDPA)对MK和ZHX搅拌器进行流场测试,得到不同工况下的时均速度场分布.应用渐近不变性方法,选取适当的特征尺度,给出挡板处壁面射流的轴向速度相似剖面,确定用于评定槽内完全湍流界限的轴向速度分布曲线,建立了搅拌雷诺数与搅拌槽内完全湍流流动达到的高度之间的线性关系.结果表明,非全槽完全湍流状态下,槽上部会出现过渡流区;随雷诺数的增大,搅拌槽内完全湍流流动达到的高度增大;不同型式搅拌器的完全湍流流场所需的雷诺数不同,单层桨搅拌槽内达到全槽完全湍流需要很大的搅拌功率.     

“波纹”内壁搅拌槽内的湍流流动特性

设计了一种“波纹”内壁搅拌槽,通过在内壁上安装一定数量的半圆管,以增强搅拌效果,并采用计算流体动力学方法对其内部流动特性进行了分析.通过与文献中的实验及模拟结果的比较,验证了所建数值模型及模拟方法的可靠性,随后对不同半圆管尺寸(半径)、数量和安装位置时搅拌槽内的流场结构和功率消耗进行了研究.结果表明,与标准搅拌槽相比,“波纹”内壁结构尽管不会明显增强流体的湍流程度,但能提高流体速度分布的均匀程度,而且功率消耗没有明显变化;当在搅拌槽内壁上均匀安装4根半径为搅拌槽直径1/20的半圆管时[LL1] ,能显著减少挡板后方及槽顶部流体的低速区.该结果为“波纹”内壁搅拌槽在过程工业中的应用奠定了基础.     

无挡板涡轮桨搅拌槽内湍流流动的分离涡模拟

采用分离涡模型对无挡板涡轮桨搅拌槽内的湍流流动进行了研究,重点分析了流场结构和速度分布,以检验该模型模拟搅拌槽内流体流动的有效性和正确性. 为了加快收敛,先采用标准k-e模型进行稳态流场计算,并以此结果为初始值进行分离涡模拟. 与现有文献大涡模拟及实验结果对比表明,分离涡模型能捕捉槽内流体的瞬时流动特征,获得的时均速度分布与大涡模拟及实验结果吻合较好,其中对切向速度分布的预测误差不超过7%,对径向速度分布的预测精度则低一些,局部误差接近12%. 分离涡模型适用于无挡板涡轮桨搅拌槽内湍流流动的模拟,能获得与大涡模拟相近的结果,且计算量更小(约为大涡模拟的1/3).     

固液搅拌槽内液相湍流特性

采用粒子图像测速系统研究搅拌槽内固液二相湍流运动的流场分布规律,结果表明,液相速度随着颗粒体积分数的增加,先增加后变小,在颗粒体积分数为0.5%时有最大值。湍流动能和耗散率大的区域分布在桨叶尖端右下方,随着加入颗粒后,桨叶下方液相湍流动能和耗散率都比清水时大。湍流动能在颗粒体积分数为0.9%时有最大值,湍流动能耗散率在颗粒体积分数为1.3%时有最大值。     

用FPIV方法研究固-液方形搅拌槽内液相湍流

采用粒子图像测速和分析技术,研究了固-液方槽体系中液相湍流特性. 测得固体颗粒浓度从0增加到0.9%(j)时,液相在桨叶区和近壁区的湍流流场分布. 结果表明,随固体颗粒浓度增加到0.9%(j),液相轴向平均速度<ν>持续减小,在桨叶区其衰减幅度Dv*与固体颗粒浓度Cv的关系为Dv*μCv0.776,近壁区为Dv*μCv1.474. 桨叶区湍流动能分布较复杂,与单相相比,固体颗粒浓度从0增加到0.5%(j)时,湍流动能增强;固体颗粒浓度从0.5%增加到0.9%(j)时,湍流动能减小. 在整个测量区域,随固体颗粒浓度增加,平均湍流动能呈减小趋势,拟合平均湍流动能 与固体颗粒浓度的关系为 μCv-0.073,平均湍流动能耗散率呈增长趋势,拟合平均湍流动能耗散速率 与固体颗粒浓度的关系为 μCv1.113.     

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 .     

轴流桨搅拌槽三维流场数值模拟

利用k -ε湍流模型预测了搅拌槽在不同操作条件下宏观速度场 ,模型成功预测了搅拌槽内速度分布 ,计算结果与实验结果吻合较好 .模型预测结果表明 ,搅拌槽内宏观流动场受搅拌桨槽径比影响较大 .对单层搅拌桨 -槽体系 ,挡板前后宏观流动场差别很大 ,在挡板以前区域 ,轴向流动较强 ,在整个r -z断面上形成一个整体循环 ;而在挡板后面区域 ,流体在桨叶安装位置高度附近转向轴心流动 ,槽体上半部区域形成二次循环区域 ,且二次循环区域内流体以向下流动为主 .     

轴流式翼型-透平组合桨在搅拌釜内的流动

<正>搅拌反应器是化工、医药、食品工业中广泛应用的基础设备之一,当搅拌釜内液深与搅拌釜直径相比较大时(通常比值大于1),往往采用双层或多层桨,以保证顶部到底部的循环流动。 透平桨产生的是径向流,形成以桨叶为中心线的上、下2个循环区,桨叶附近剪切速率高,气体分散能力强。翼型桨产生的流型是轴向流,形成全釜循环,混合均匀,剪切温和。为充分利用两者优势,加强全釜混合,剪切适度,特别是在粘稠物系中,可采用组合桨。目前尚未看到对翼型-透平组合桨流动状况的研究,而对于非牛顿流体中的组合桨流动状况则了解     

MIXING CHARACTERISTICS IN SLURRY STIRRED TANK REACTORS WITH MULTIPLE IMPELLERS

Hydrodynamic parameters such as power consumption, gas holdup, critical impeller speed for solid suspension and mixing time were measured in slurry stirred tank reactors with multiple impellers. The experiments were mainly conducted in a stirred tank of 0.2mi.d. with baffles. It contained two four-pitched blade downflow turbines for gas dispersion and one Pfaudler type impeller for solid suspension. As a part of scaling studies, additional experiments were also carried out in a larger stirred tank reactor (0,8m i.d.) geometrically similar to the smaller one. Glass beads and polymeric particles were used as a solid phase. Solid concentration was in the range of 0-20% (K/K). Tap water and methanol were used as a liquid phase

The power consumption decreased due to an introduction of gas and the presence of solids caused a decrease in the extent of reduction in power consumption. A correlation for power consumption in aerated slurry systems was proposed, It was found that the presence of solids is responsible for a decrease in gas holdup. A new correlation for gas holdup in gas-liquid-solid three-phase stirred tank reactors was developed. It fit the present experimental data reasonably. The critical impeller speed for solid suspensions increased with increasing gas flow rate. However, its increase was rather smaller as compared with the predictions of the correlations available in the literature. We proposed a correlation of the critical impeller speed for solid suspension in the presence of gas. The mixing time complicatedly increased or decreased depending on gas flow rate, impeller speed, solids type and concentration.     

稀疏固液搅拌体系流动特性

引　言在固液两相搅拌反应器中 ,固体颗粒的运动行为直接影响到固液两相流的流体力学及传质特性 ,因此 ,近年来对固液两相体系中颗粒的运动行为研究愈来愈受到重视 .对于流体机械混合操作 ,许多情况下流动均处于湍流区域 ,涉及到多相态时 ,问题变得更为复杂 .颗粒和湍流的相互作用 ,很久以来一直是人们研究的基本问题之一[1～ 3] ,对有固体颗粒存在下液相流体速度及湍流脉动变化规律 ,也是研究人员和工程技术人员关注的重点 .现有文献中用激光测量搅拌槽内固液两相流动的数据很少 ,仅Ｎｏｕｒｉ[3] 测量了六直叶涡轮搅拌槽内固液两相速度分…     

搅拌槽内三维流场的数值模拟

应用商业计算流体力学软件CFX对搅拌槽内的流场进行了模拟,并与PIV测试结果进行了比较,流型吻合良好.速度分量的对比结果表明不同情况与各种模型的吻合情况不尽相同,标准k-ε双方程模型、RNG k-ε模型和代数应力模型在主流域内都能较准确地模拟搅拌槽内的流动场.     

应用热膜风速仪测定搅拌槽内气—液两相流的流体力学参数

开发应用了恒温热膜风速仪（简称ＣＴＡ）来测定搅拌槽内气－液两相流的局部气含率、液体的时均速度及脉动速度的均方根值。根据柱形热膜探头以及气－液搅拌槽内流体流动特性，改进了用电压概率密度法＾［１］划分气－液搅拌槽内气液两相信号的方法，在此基础上得到了局部气含率、液体的时均速度及脉动脉动速度均方根值的计算公式。研究了热膜探头偏角及流体介质温度变化对热膜风速仪测量精度的影响，并对流体介质温度的影响进行了校     

间歇搅拌反应器的微观混合特性

<正> 1 引言 微观混合是指流体分子尺度上的混合,而化学反应过程又是反应物分子间相互有碰撞作用的过程,微观混合对搅拌槽内进行化学反应有直接影响,因此开展对间歇搅拌反应器微观混合状况的研究十分必要。但微观混合的机理和模型较复杂,测定方法较困难,过去20年来集中于机理与模型研究,实际应用报道较少。本文对乙酸乙酯不可逆二级皂化间歇反应器中搅拌转速、介质粘度对微观混合状况的影响进行研究。 2 微观混合状态的描述 2.1 微观混合模型概述 从Danckwerts提出一整套混合统计概念和微观混合的2种极限理想状态后,许多研究者力求把这2种状态结合起来描述实际的微观混合状态,并通过大量实验,从工程和机理角度提出了不少微观混合模型。但这些工程模型都是单参数模型,经湍流类比分析,其微观混合参数都与理想混合时间有关,具有共同的结构特征。     

APPLICATION OF HOT-FILM ANEMOMETRY TO AIR-WATER FLOW IN AERATED STIRRED TANKS

The subject of this paper is the evaluation of the applicability of constant temperature anemometry (CTA) with a modified version of Delhaye's method to aerated stirred tanks. A calibration technique that takes into account the variation in medium temperature was developed and verified experimentally. The directional sensitivity of the conical film probe was investigated in a streamline flow field as well as in the impeller discharge stream in an stirred tank.

The reliability of the setup and the technique was verified through the comparison of the vertical and radial velocity profiles of water in a stirred tank with those obtained from the literature. The directional response of the conical probe follows the cosine law for intersection angles smaller than 45° in a streamline flow field, but the directional sensitivity in the impeller discharge stream is rather poor, owing to the rolling characteristics of flow in this region. Due to the inability to detect bubbles smaller than the sensing element of the conical probe, the CTA usually gives lower values of local gas holdup. However, this discrepancy is considered to have no influence on the velocity measurement.