双螺带-螺杆搅拌桨在不同流体中的搅拌流场特性

采用计算流体力学方法对双螺带-螺杆搅拌桨在层流域内的搅拌流场进行了数值模拟,考察流体为高黏牛顿流体和假塑性非牛顿流体数值模拟计算得到的功率值与实验测量值吻合较好;双螺带-螺杆搅拌桨的功率常数为162．7,Metzner常数为19．0;搅拌雷诺数以及流体的流变指数对非牛顿流体搅拌流场的无因次速度、循环量数均有不同程度的影响;与双螺带搅拌桨相比,双螺带-螺杆搅拌桨能在一定程度上提高全槽平均剪切速率和平均速度研究进一步认识了双螺带-螺杆搅拌桨的混合性能特点,为高黏流体搅拌桨的设计、应用以及开发新型搅拌桨提供了指导和参考     

错位Rushton桨的水动力学特性

为了揭示错位Rushton桨的混合机理,采用计算流体动力学方法,对层流和湍流水动力学特性进行了研究.首先通过与文献中实验结果的比较,验证了所建数值模型及模拟方法的可靠性,然后重点分析了错位桨搅拌槽内的尾涡、流场和搅拌功耗.结果表明:与标准Rushton桨相比,相同转速时,错位桨能减小尾涡尺寸,降低搅拌功耗,而且桨叶宽度越小越有利,但过低的桨叶宽度不利于增大流体速度及速度分布的均匀程度.相同搅拌功耗时,桨叶宽度为3 D/20和D/5(D为搅拌桨直径)时错位桨的搅拌效果明显优于标准搅拌桨,两者对流体速度提高的幅度相当,但桨叶宽度为3 D/20时的尾涡尺寸小,故为推荐桨叶宽度.     

螺带螺杆搅拌釜中高黏流体的CFD模拟计算

高黏聚合体系的搅拌混合应用广泛,是聚合物合成工业中的关键,但采用实验方法难以得到其流场.应用ANSYS CFX软件模拟计算高黏聚苯乙烯溶液体系在不同螺带螺杆组合搅拌釜中的流场特征,分别采用不同的计算流场模型进行求解,其中搅拌釜气-液两相界面采用与实际情况较为接近的自由液面,旋转区域采用滑移网格法处理,液相采用不同黏度的高分子黏性流体,计算比较了不同搅拌桨组合下的流场特征,论证了双螺带螺杆搅拌桨在高黏流体混合中的优越性,同时得到不同黏度和不同转速下搅拌釜内的液面形状、速度场和搅拌功率,为实际生产及工业优化提供了理论参考.     

行星式搅拌釜混合性能的数值模拟

使用Fluent软件数值模拟行星式搅拌釜高黏熔体中固液混合过程,研究搅拌桨自转速度和安装高度对搅拌釜混合性能的影响.采用欧拉模型、动网格技术和用户自定义函数,在搅拌桨不同自转速度和安装高度下,数值计算了搅拌釜内固液两相流的流场、混合时间和搅拌桨的扭矩,用搅拌功率和单位体积混合能评价搅拌釜的混合效率.计算结果表明,搅拌桨自转速度从20r/mim提高到60r/min,物料混合时间缩短,搅拌功率和单位体积混合能增大,混合效率降低;搅拌桨安装高度从20mm增加到60mm,物料混合时间缩短,搅拌功率变化不大,单位体积混合能减小,混合效率提高.     

搅拌釜桨型对于明胶水解体系搅拌性能的数值模拟

运用计算流体力学软件FLUENT对双螺带搅拌釜、螺杆-螺带搅拌釜和INTERMIG式-螺带搅拌釜进行模拟.用GAMBIT建立流体的简化模型,采用多重参考系法处理搅拌桨区,对速度场、压力场和搅拌功率进行分析.结果表明,压力因素对浆型的选择影响较小,可以不考虑;速度场中组合浆对釜内流体流动有明显改善,且搅拌功率显著提高.综合考虑各影响因素,INTERMIG式-螺带组合桨是一种成功改进的组合桨.     

基于PIV的仿生鲸尾型搅拌桨反应器流场研究

为增强搅拌反应器混合性能,本文基于仿生学思想,设计了一种鲸尾型搅拌桨,即WTT搅拌桨(Whale tail turbine),运用2D-PIV设备进行流场研究.结果表明:WTT搅拌桨相比RT(Rushton turbine)搅拌桨,可以提高流体的最大径向速度以及搅拌罐下部流体的轴向速度,而且远离桨叶时,轴向速度的提高更加明显;WTT搅拌桨和RT搅拌桨都是径向流搅拌器,WTT搅拌桨可以产生更大的速度,能促进流体的混合和能量的传递,还可略微提高搅拌罐底部流体的湍动能,其产生的轴向速度和径向速度的最大Lyapunov指数均大于RT搅拌桨,即WTT搅拌桨产生的流场混沌程度更高,混合性能更好.     

隔板搅拌槽流动与混合性能的数值研究

层流搅拌时,搅拌槽的混合效率普遍较低。为了改善搅拌效果,在桨叶上下方混合隔离区处对称布置了4块隔板,以截断隔离区内流体运动轨迹的周期性,并以甘油为介质,对有无隔板时Rushton桨在层流状态下的流动与混合过程进行了研究,分析了槽内流场结构、速度分布及功率消耗情况。结果表明,隔板不仅能改变槽内流体的流型,增强轴向循环能力,提高混合效果,而且消耗的功率低,仅为同条件下无隔板时功率消耗的76%。     

搅拌槽内轴向对流循环的试验

以搅拌槽内单相湍流流场为研究对象,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,得到不同几何参数的搅拌器在不同工况下的时均速度场分布.在此基础上计算挡板前轴向速度梯度的分布,由速度梯度的衰减确定搅拌槽内轴向对流循环的有效作用范围,并考察桨型、叶轮离底间隙和叶轮转速对轴向对流循环有效作用范围的影响.试验结果表明,在液面高度等于槽径时,轴流桨搅拌槽内轴向对流循环的有效作用范围与桨型、叶轮离底间隙和叶轮转速无关,高度为槽径的2/3.     

结晶器流场的模拟计算与结构优化

数值模拟是有效研究大型工业设备内部流场的手段。采用多重参考系和湍流标准k-ε模型对结晶器内部流场进行描述。利用激光粒子测速仪(PIV)测量的实验室小型搅拌槽的实验数据对计算模型进行了验证,结果表明计算模型可以有效预测搅拌设备内部的流场分布。并在此基础上研究了搅拌桨安装位置及运行参数对流场的分布影响,优化了结晶器的结构与运行参数:搅拌桨安装高度1 000 mm,导流筒柱段长度2 000 mm,搅拌转速70～80 r/min。     

搅拌槽内流体作用力下搅拌桨叶的应力计算

文中利用搅拌槽流场模拟的数据,结合有限元分析软件ANSYS,对翼形CBY搅拌桨进行了应力分析.文中采用了一种插值方法,实现了从流场数据到有限元模型载荷的数据交换,并对一个实验搅拌桨进行了应力分析,其分布规律与参考文献的实验测量值一致。     

双螺带螺杆桨气液混合性能数值模拟及其工业应用

针对聚合物溶液为高黏非牛顿流体并且水解过程产生气泡的特殊物系,开发了双螺带螺杆搅拌桨．采用双欧拉模型和滑移网格法对双螺带螺杆搅拌桨在高黏气液两相流中的流体力学行为进行了非稳态数值模拟．研究结果表明,双螺带螺杆桨的特殊结构使得全槽流场呈现轴线大循环特征,全槽溶液表观黏度分布比较均匀,并且有利于溶液中气泡的聚集和浮升,适用于聚合物溶液的水解混合过程．该装置已成功应用于我国某油田聚合物溶液的配置过程中．     

搅拌槽内非牛顿流体流动场的数值模拟

对搅拌槽内非牛顿流体湍流流动的数值研究还很缺乏.文中尝试利用k-ε模型计算了假塑性流体羧甲基纤维素钠(CMC)水溶液在搅拌槽内的三维流动场,并与粒子成像测速(PIV)法测得的实验结果进行了比较.计算结果表明,非牛顿流体CMC水溶液的宏观流动场与牛顿流体(水)的流动场有较大差异,主要是主体流动减弱,并在叶端附近形成涡旋流动.主体流动区内的速度分布与PIV测量结果吻合较好.剪切速率在槽内的分布相差较大,桨叶附近与槽壁处的剪切速率较大,在主体流动区域较小.     

涡轮桨变速搅拌槽内湍流混合的实验研究

以NaCl颗粒在水中的溶解为例,对湍流状态下周期性变速旋转的(改变桨叶转向或速度大小,分别称为周期性换向搅拌和周期性依时搅拌)Rushton桨搅拌槽内的混合特性进行了实验研究,并与稳速搅拌进行了对比。实验过程中测量了不同搅拌模式、不同桨叶安装高度时颗粒的溶解时间,结果证明,搅拌槽底部的流型对NaCl的溶解有重要影响;桨叶安装高度对溶解速度的影响不大,周期性依时搅拌时的溶解时间比稳速搅拌时稍短,而周期性换向搅拌则能明显加快溶解速度,提高混合效率。     

过渡流搅拌槽内单颗粒悬浮特性的实验研究

利用高速摄像技术对过渡流搅拌槽内单颗粒的运动特性进行捕捉,分析了搅拌雷诺数及桨叶离底高度对颗粒悬浮运动的影响规律,并使用二维粒子图像测速技术得到搅拌槽内的流场信息。研究结果表明：颗粒的临界悬浮转速随桨叶离底高度的降低而降低;桨叶离底高度对颗粒在槽底的运动影响较大;颗粒在垂直离底悬浮后,于桨盘下方附近螺旋上升或作持续的螺旋状圆周运动;搅拌雷诺数升高对颗粒垂直上升的最大高度和最大速度影响较小,但会减小垂直上升过程中桨盘的转动圈数;颗粒螺旋上升是由于轴向流场在颗粒停滞位置向两侧产生了分叉;颗粒的悬浮主要是由流体的主体流动引起的。     

顶入式与侧入式搅拌槽内混合特性的比较

应用计算流体动力学方法(CFD)对顶入式与侧入式搅拌槽内的流型特征、混合过程进行了数值模拟。计算采用标准k-ε湍流模型、多重参考系法和滑移网格法研究了2种形式搅拌槽的混合效率,分析了不同槽高径比H/T及桨型对侧入式搅拌槽混合性能的影响,并使用文献数据与碘一硫代硫酸钠褪色法对模拟进行了验证。结果表明:四斜叶开启涡轮桨(PBTD45)运行下顶入式与侧入式搅拌槽内主体循环均是轴向循环流;在H/T=1的搅拌槽中相同功耗情况下,顶入式搅拌的混合效率比侧入式搅拌的高,混合时间减少了约28.2%;侧入式搅拌在较低H/T比的搅拌槽内的混合效率较高,当H/T=0.6左右时侧入式搅拌的混合效率与顶入式(H/T=1)接近。PBTD6030桨与FE-4桨较适合侧入式搅拌槽中的混合操作。     

双层半圆管盘式涡轮桨搅拌槽气液分散特性的数值模拟

采用基于气泡聚并和破碎机理的群体平衡（PBM-MUSIG）模型,对双层半圆管盘式涡轮桨搅拌槽内的气液分散特性进行了数值模拟;考察了不同通气量和操作转速下气液搅拌槽内流体流动,局部气含率和气泡尺寸的分布规律。模拟结果表明：通气工况下搅拌槽内的液相流场具有双循环流动形式;采用PBM-MUSIG模型预测的局部气含率分布与文献实验数据吻合较好;搅拌槽内气泡尺寸随转速增加而减小,随气量增加而增大;桨叶排出流区域内气泡尺寸较小,近壁区和循环区内气泡尺寸较大。     

搅拌槽内不同桨型组合的气-液分散特性

在直径为0.476m的椭圆底搅拌槽内,分别研究径向流桨（八弯叶涡轮CDT-8）组合、轴流式搅拌桨（四叶宽叶翼形WH桨）组合及混合流型组合桨（径向流的六叶半椭圆管盘式涡轮HEDT与三窄叶翼形桨CBY）的通气功率及气含率,并得到了相应的通气功率和气含率的经验关联式。结果表明：HEDT底桨配合CBY轴流桨的混合流组合桨的RPD值下降最少,轴向流组合次之,而径向流组合桨R_PD下降最多;在相同的通气搅拌功率下,在低通气量时,轴向流组合桨的气含率最高,在较高的通气流量时,混合流及径向流组合桨的气含率相当,均高于轴向流组合桨。文中的研究结果可为工业多层桨气-液搅拌槽/反应器的优化设计提供参考。     

组合桨液相搅拌槽内流动特性的实验研究及数值模拟

采用粒子图像测速技术 (PIV),对直径为0.19 m的三层组合桨 (HEDT+2WH) 搅拌槽 (直径为0.48 m) 内的流场进行了实验研究,并利用标准 k-ε 模型对相应的流动特性进行了数值模拟。实验结果表明：通过改变层间距、顶层桨的浸没深度及上两层桨的操作方式可以得到4种不同流型,每种流型内循环结构的数目各不相同;上两层桨下压式操作时,流场的循环结构最少,只有两个;高速区和高能量区的分布相同,都位于各个桨叶的射流区内,且底桨射流区内的速度值和湍流动能值都大于上两层桨。模拟结果表明：标准 k-ε 模型对流场的预测较为准确,但对于有5个循环结构的流型模拟误差较大;湍流动能分布型式的模拟值与PIV实验结果吻合较好,但数值偏低,表明标准 k-ε 模型在预测复杂流型时需要改进;功率准数的模拟值与实验值基本一致。     

侧入式搅拌槽中桨叶参数对流场及功率影响的数值模拟

运用计算流体力学(CFD)技术对不同桨叶参数的侧入式搅拌槽内流场进行了数值模拟。模拟结果表明：搅拌槽内流场产生分层现象,下层流场为内部围绕搅拌槽中心的环形上升流和外部沿搅拌槽壁面的低速下降流组成的高速循环流,上层流场为与下层流场方向相反的低速循环流;在相同搅拌功率输入下,增大桨叶直径能够增加搅拌槽底部流体的动能,但会抑制搅拌槽上部流体的动能;叶片倾角为45°时桨叶的轴流性能最好,叶片个数为4时桨叶的搅拌效率最高。