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。     

搅拌对箱式混合澄清槽流动性能的影响

针对当前混合澄清萃取槽存在的问题,提出了改进的新型混合澄清萃取槽.采用专业的流体力学数值模拟软件ANSYS/FLUENT,对新型萃取槽内流场情况进行了模拟研究.结果表明,在油水两相流速分别为0.22和0.11 m/s,混合室搅拌转速为800 r/min,澄清室搅拌转速为20 r/min时,与传统萃取槽相比,在搅拌作用下,新型萃取槽澄清室内桨叶附近的混合带更窄,两相分离效果更佳;混合室内桨叶上下方流场呈涡旋流,与六直叶涡轮桨搅拌特点相符.     

高固含固液搅拌槽内颗粒悬浮与混合特性

对高固含体系下Intermig桨搅拌槽内的桨叶搅拌性能以及颗粒的混合与悬浮特性进行实验研究.采用光导纤维技术对不同桨径、搅拌转速和桨叶离底距离下搅拌槽内底部以及轴向颗粒密度进行测量,同时对临界悬浮转速和搅拌功率进行测定.实验结果表明:对高固含液-固搅拌体系,所采用的Intermig搅拌桨具有很好的轴向混合特性,该桨适合在较大的桨径和较低的桨叶离底距离下应用,可在促进颗粒悬浮与均匀分布的同时,大大降低功率消耗.通过对实验结果的分析和拟合得出底部均匀度与搅拌槽内弗劳德数有关,Q=0.58Fr-0.35,Intermig搅拌桨功率准数在0.2 ～0.3之间,且与雷诺数关系为NP=2.1Re-0.2.     

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。     

固液搅拌槽内桨叶启动过程中的两相流动特性

将折射率匹配技术与粒子图像测速技术结合,测量了固液搅拌槽内桨叶启动过程中的两相流动特性。实验所用搅拌槽为平底方槽,搅拌桨为45°四斜叶桨,桨叶搅拌雷诺数389~2 332,固体颗粒的最大体积分数15%。实验考察了桨叶操作方式、搅拌转速和固含率对搅拌槽内瞬态颗粒分布和颗粒床层处瞬时流场的影响规律,结果表明：相同转速下桨叶为上提操作时流体对颗粒床层的侵蚀作用强于下压操作,颗粒开始悬浮的时间早,但悬浮高度较低;随着搅拌转速的增加,流体对颗粒床层的侵蚀作用增强,体系达到稳态后搅拌槽内颗粒云的均一度和高度也出现上升趋势;固含率从5%增加至15%时,搅拌槽内悬浮起的颗粒数量增加;流体侵蚀颗粒床层的临界速度范围在0.1~0.25 m/s。     

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%。     

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。     

斜叶涡轮搅拌槽流动场数值研究

利用ｋε湍流模型模拟了斜四叶涡轮搅拌槽内不同条件下宏观流动场, 研究了搅拌桨与搅拌槽直径比（ Ｄ／ ＤＴ） 、桨叶离槽底距离（Ｃ） 对搅拌槽内宏观流动场的影响。数值模拟结果表明, 桨叶离槽底距离与槽径之比较小（ Ｃ／ ＤＴ＝０－３３）时, 叶轮区域轴向流动较强, 在整个ｒｚ 断面形成一个整体循环。随着桨叶离槽底距离增加, 叶轮区径向流动增强, 当Ｃ／ ＤＴ＝ ０－５ 时, 在搅拌桨下方区域形成二次循环区。搅拌桨与搅拌槽直径比较小时（ Ｄ／ＤＴ＝ ０－３３） , 挡板前后宏观流动场差别很大, 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上流动为主。     

搅拌槽示踪剂浓度扩散模拟与实验研究

针对单层双桨叶圆形搅拌槽不同参数(桨叶角度、桨叶离底高度、桨叶宽度、桨叶直径,水平加料点),运用CFD软件Fluent对搅拌槽内流场进行数值模拟,计算并分析了各个参数对混合时间、搅拌功率和单位体积混合能等3个指标的影响;进行了不同桨叶角度和桨叶离底高度条件下的实验研究,运用电导率测试法测量搅拌溶液浓度的变化曲线,并与数值模拟结果进行了对比。研究结果表明,单位体积混合能指标能综合混合时间与搅拌功率,可作为参数优化的指标;在单因素条件下,桨叶角度优化为20°、桨叶离底高度为500 mm、桨叶宽度为80 mm、桨叶直径为300 mm,水平加料点为100 mm;实验研究中示踪剂Na Cl溶液的浓度变化曲线与数值模拟的溶液浓度变化曲线的相关系数在0.77~0.86,故可通过数值模拟的方法在一定程度上进行搅拌槽参数优化设计。     

多层桨搅拌槽内的宏观混合特性

在直径为0.476 m的搅拌槽内,采用电导法测定搅拌槽内单层桨和多层桨体系的混合时间。对于单层桨体系,在相同的搅拌输入功率下,不同类型的径向流桨和轴向流桨具有相同的混合时间。对于窄叶翼型CBY搅拌桨,在相同的搅拌输入功率下,单层、双层以及三层CBY搅拌桨的混合时间基本相同;而对于六直叶涡轮桨DT-6,在相同的搅拌输入功率下其混合时间随桨叶层数的增加而加长;多层CBY桨的混合时间远低于多层DT-6搅拌桨的混合时间。     

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-螺杆搅拌槽内流动与剪切特性的数值模拟

以高黏物系混合为背景,采用数值模拟方法,选用高黏强剪切稀化流体为研究对象,考察了桨叶几何结构对螺带-螺杆搅拌槽内的流场及剪切特性的影响,研究内容包括流场精细结构(轴向速度及剪切速率分布)及搅拌槽宏观特性参数(轴向循环流量及体积平均剪切速率).计算发现,对搅拌槽内轴向速度影响最为显著的几何结构参数为螺带宽度(w_(HR)),随着w_(HR)/d_(HR)由0.05增大至0.20,最大向下无量纲轴向速度(u_z/u_(tip))_(maxD)由0.09增大至0.34;w_(HR)/d_(HR)=0.13时,搅拌槽内轴向循环流量Qz达到最大;搅拌槽内剪切速率与桨叶宽度及直径成正比,与螺距成反比;壁区影响最为敏感的为桨叶直径;s_(HR)/d_(HR)=0.4时,搅拌槽内体积平均剪切速率最高.最后,综合考虑搅拌槽内流场及剪切特性的几何效应,给出了螺带-螺杆搅拌桨设计建议.     

偏心搅拌槽内高浓度浆液颗粒的悬浮特性

以直径为0.34 m的无挡板平底圆筒形搅拌槽为研究对象,对偏心搅拌槽内高浓度浆液中颗粒的悬浮特性进行了数值研究,分析了45°的4斜叶开启涡轮式搅拌桨(PBT)和3窄叶整体板式螺旋桨(ZHX)2种桨型在不同偏心率和转速时,搅拌槽内的流型分布、颗粒体积分数分布、完全离底临界悬浮转速以及功率消耗,并与试验结果进行了对比.结果表明:对于高浓度浆液,偏心搅拌打破了中心搅拌时流场结构的对称性,提高了流体的轴向循环能力,颗粒悬浮效果优于中心搅拌;固体颗粒的悬浮效果与搅拌桨在槽内的偏心位置有关,当偏心率E=0.4时颗粒悬浮效果最佳,但偏心搅拌会增大颗粒的完全离底临界悬浮转速和设备的功率消耗,不利于节能降耗.     

涡轮桨搅拌槽内混合过程的数值模拟

文中采用FLUENT软件对六直叶涡轮桨搅拌槽内的混合过程进行了数值模拟,选用多重参考系法(MRF)及标准kε模型,将速度场与浓度场方程分开进行求解,所得的混合时间的模拟结果与实验值相吻合。同时用计算机流体力学(CFD)方法研究了不同的加料点、监测点位置及操作条件对混合时间的影响规律,模拟结果表明:混合过程主要由搅拌槽内的流体流动所控制,混合时间与加料点及监测点位置密切相关。研究结果对于工业搅拌反应器的优化具有一定的参考意义。     

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.     

无挡板搅拌槽内固液悬浮的试验

在直径为0.34 m的无挡板平底圆筒搅拌槽内,采用PBT和ZHX两种搅拌桨对固相体积分数为20%的玻璃微珠-水固液两相体系的悬浮特性进行试验研究.采用固体激光器和数码相机分别研究了搅拌桨离底间距和桨型,以及偏心搅拌时偏心率对固相颗粒的悬浮状态与悬浮临界转速及功率消耗的影响,得出了无论是同轴搅拌还是偏心搅拌,搅拌槽底部边缘角落区的颗粒都不能沿周向同时悬浮.搅拌桨离底间距较低有利于颗粒的悬浮,所耗功率愈小,在相同工况下固相颗粒的悬浮效果PBT型桨优于ZHX型桨,偏心搅拌时,颗粒悬浮临界转速和功率消耗均较同轴时的大,且随偏心率的增加而增大,因而,对高浓度固液两相体系的悬浮混合不宜采用偏心的搅拌装置操作.     

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。     

双层涡轮桨搅拌槽内混合过程的数值模拟

采用FLUENT软件对双层六直叶涡轮桨搅拌槽内的混合过程进行了数值模拟,选用RNG标准κ-ε模型及多重参考系法(MRF),通过改变网格策略,增加网格数量,并降低浓度收敛残差的方法,将速度场与浓度场方程分开求解,预测了不同的加料点、监测点位置及操作条件对混合时间的影响规律。模拟结果表明:搅拌功率的模拟值与实验值吻合良好,但由于模型基于各向同性的假设,且双层六直叶涡轮桨两桨之间子域的存在,混合时间的模拟结果与实验值有较大的误差。     

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。     

组合桨层间距对搅拌槽内流动特性的影响

采用粒子图像测速技术(PIV)对三层组合桨(HEDT+2WHU)搅拌槽(槽径0.476m)内的流动特性进行了研究,在搅拌转速、顶桨浸没深度和顶层桨高度不变的情况下,得到了中层桨位置的变化对搅拌槽内的流型、相位解析速度场和湍流动能的影响规律。结果表明,中层桨位置的改变对搅拌槽上部区域流体的流动特性影响显著,而对搅拌槽下部区域流体的流动特性产生影响较小;随中层桨位置降低,槽上部液面处反向回流区逐步缩小直至消失,中、顶层桨合并轴向流断裂,底桨上涡环作用范围不断压缩;对于相位解析速度场,较之中层桨尾涡几乎没有变化,顶桨尾涡的发展由极其微弱逐渐清晰,底桨尾涡则提前了10°相位出现;对于湍流动能分布,中、上层桨逐渐趋向于类似两层桨单独作用,底、中层桨间整体湍流动能增大。