基于CFD的双层圆盘涡轮式搅拌器特性分析开题报告

 2021-08-08 02:08

全文总字数:460字

1. 研究目的与意义

搅拌设备使用历史悠久,大量应用于化工、医药、食品、环保处理等行业。其中圆盘涡搅拌器是应用较广的一种桨叶,能有效的完成几乎所有的搅拌操作,并能处理粘度范围很广的流体,涡轮式搅拌器有较大的剪切力,可使流体分散的很细,适用于低粘度到中等粘度流体的混合、气液分散、固液悬浮。然而其内部流动十分复杂,尚无完整的理论体系。搅拌混合一般多依赖于经验和实验数据设计,而根据实验模型数据的放大设计受到规模增大所导致的不均匀性增大的影响,设计的可靠性大大降低。

因此,实验研究和解析法只能得到估算值,并且只适用于与研究对象结构尺寸相似的流域,欠缺准确性和适用性。随着计算流体力学、数值传热学和计算机技术的发展,数值模拟方法被越来越多的应用到研究工作中,可信度和研究效率均得到了提高。本课题将应用大型流体计算软件分析不同参数下的双层圆盘涡轮搅拌器的模拟,分析搅拌器的结构参数,操作参数对搅拌性的影响,得出有益于工程实践的结论,为该类搅拌器的设计和优化提供现实的参考依据。

2. 国内外研究现状分析

搅拌器主要是利用搅拌桨的旋转将机械能转化成流体的动能,造成搅拌容器内介质的流动混合,从而使得传质,传热得以完成。搅拌器大多数为非标准设备,搅拌器又称为搅拌桨或搅拌叶轮等,它是搅拌机械设备的关键部件,搅拌混合技术的进展总是围绕着两个中心展开的,一方面是开发新型、高效的搅拌设备,另一方面是快速正确地选择和设计搅拌设备[1]。一直以来常规搅拌桨占据主要地位,在各个领域的生产应用上都逐渐完善,造型设计日趋规范。但是近年来,随着设备的大型化以及新材料的出现,无疑对搅拌器的性能提出了更高的要求,鉴于此工业背景之下,各个生产领域加大研发力度,从而促使诸多新型高效节能搅拌器的应用于生产领域,同时开发出适应于某些特殊用途的搅拌器。双层圆盘涡轮式搅拌器,就是一种应用较广搅拌器,能有效的完成几乎所有的搅拌操作。其中双层圆盘涡轮式搅拌器的搅拌间距和底搅拌层离底高度可形成平行流、合并流、分散流[2]

CFD是计算流体动力学的简写(Computational Fluid Dynamics),其基本的思想可以归纳为:把原来在时间域及空间域连续的物理量的场,用有限个离散点上的变量值的集合来代替,通过一定的原则和方式创建起关于这些;离散点上场变量之间的代数方程组,然后求解代数方程组来获得场变量的近似值。CFD软件是专门用来进行流流场分析、流场计算、流场预测的软件。通过CFD软件,可以分析并且显示发生在流场中的现象,在比较短的时间内能预测性能,并且通过改变各种性能参数,达到最佳的设计效果。CFD软件的数值模拟,能使我们更加深刻地理解问题产生的机理,为实验提供指导,节省实验所需的数值模拟,能使我们更加深刻地对实验所需的人力、物力和时间,并对实验结果的整理和规律的得出起到很好的指导作用[3]。我国从60年代在航空工业中飞机、发动机的设计和生产中开始使用CFD技术,从80年代中期到现在,随着商业CFD软件和计算机硬件的快速发展,更好的使用计算机运行性能,CFD计算模型模块化,操作平台更为简单易解和软件界面更为友好[4]

随着计算机能力的不断提高,以及在湍流模型和计算方法等方面的不断完善,尤其是大型通用CFD软件的日趋成熟,CFD方法用于研究搅拌槽内的流动显示出强大的生命力,越来越多的研究者开始关注并涉足CFD领域。近年来,国内外越来越多的学者采用CFD数值模拟技术对搅拌装置内部流场进行了研究分析。马庆勇[5]利用Fluent软件对固-液悬浮搅拌槽内流场进行研究,分析了垂直和水平面的流场分布规律及颗粒浓度特点,苗一[6]等人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,通过对网络的策略和数量的改变,降低浓度收敛残差,对加料点,操作条件及监测点的位置变化对混合时间的影响进行预测。王春林[7]等人采用多重参考系法对搅拌槽内流体流动状况进行三维模拟,分析了较薄槽内垂直和水平面的速度分度情况。李林[8]等采用重整化群k-ε模型(RNG)对浑水水力分离清水装置三维湍流流场进行数值模拟,并与清水单相流数值模拟及泵外特性性能试验进行了对比,揭示了不同撞粒径及颗粒体积浓度条件下双流道内的固液两相流动规律。Altway[9]等研究了固体颗粒的尺寸对其在搅拌槽内浓度分布的影响,利用CFD软件建立了相应的模型,并研究了固体颗粒的尺寸对其在搅拌槽内浓度分布的影响,研究成果为搅拌器的优化设计提供了参考。Lamberto 等[10]对层流搅拌槽内的流场结构做了数值分析,模

拟了搅拌槽内流场的流动,模拟结果精度较高;基于以上的研究,我们不难发现利用CFD方法对搅拌装置内流场进行数值分析的模拟研究越来越多,并且发展速度加快。

近些年搅拌叶轮也取得了一定的发展,北京化工大学流体混合研究室成功研制了一种翼型轴流液泵,即CBY翼型轴流搅拌叶轮,该搅拌叶轮采用了先进的等螺距设计理论,对搅拌叶片安放角优化设计,使其拥有更好的流体循环能力。华东理工大学研制了K4、K5系列轴流式搅拌叶轮[11]。加拿大Prochme公司研制的Maxflo叶轮,该搅拌叶轮属于宽叶翼型搅拌叶轮,属于高效搅拌叶轮之一[12]。Chemineer公司研制的CD-6、BT-6叶轮,属于传统的Rushton涡轮搅拌叶轮的改进型[13]。目前磁力搅拌器由于其良好的密封性,正在不断得到发展。同时在搅拌器的辅助设计,各种先进技术正在被应用,包括:智能化专家系统、CFD流体技术、粒子图像测试技术(PIV)等等。良好的搅拌混合特性和搅拌器的高效率低能耗一直是研究人员追求的目标,也是未来搅拌器的发展方向。新的设计理论研究和各种新技术的有机组合,搅拌器的研究工作将进入一个新的发展阶段。

由此可知,短短时间内,对搅拌槽内流场的CFD研究已有突飞猛进的发展,计算流体力学的发展对搅拌设备的开发带来革命性的变化。因此,采用计算流体力学软件分析不同参数下双层圆盘涡轮搅拌器特性,分析搅拌器的结构参数、操作参数对搅拌特性的影响,得出有有益于工程实践的结论,为该类搅拌器的设计和优化提供现实的依据显得尤为重要。

参考文献:

[1] 王凯,虞军,搅拌设备,北京:化学工业出版社,2003.1-85

[2] 张弛宇,尹霞等.双层圆盘涡轮式搅拌器搅拌釜内流场的数值模拟[J].化工机械.42(4):50-55

[3] 李进良,李承曦,胡仁喜.精通FLUENT 6.3流场分析[M].北京:化学工业出版社,2009.

[4] 张被刚,孙可伟.基于数值模拟制备玻璃/铝基废弃物复合材料搅拌器结构的研究

[5] 马庆勇.桨液池搅拌器固液两相三维数值模拟[J].华东理工大学学报,湖南农机,2010,3(4)57-60

[6] 苗一,潘家祯等双层涡轮桨搅拌槽内混合过程的数值模拟[J].华东理工大学学报,2006,32(2)352-357

[7] 王春林,吕亚云等.桨叶式搅拌槽内部流场数值模拟及PIV试验[J.排灌机械工程学报2010,28(4):335-340]

[8] 李林,邱秀云,龚守远.浑水水力分离清水装置内水沙两相弱旋流场数值模拟[J].中国农村水力水电,2008(1):11-19

[9] Altway A,Setyawan H,Winardi S,et al.Effect of practice size on stimulation of three-dimensional solid dispersion in stirred tank[J].Trans IchemE.2001,79(A):1011-1016

[10] Lamber to D J, Alvarez `MM, Muzzio F J.ComPutational Analysis of Regularand Chaotie Mixing in a

Stirred Tank Reaetor [J]. Chem.Eng.Sci., 2001, 56(16):48874899

[11] 刘飞鸣,林兴华,施建强等.组合桨的气液搅拌特性试验研究[J].化工机械,2004,31(2):67-70

[12] 张金海,张生昌,郑勇华.分离混合集成型固-液搅拌器流场模拟仿真及结构优化设计.2010

[13] 包雨云,高正明,施力田.多相流搅拌器研究与发展[J].化工进展,2005,24(10):1124-1130

3. 研究的基本内容与计划

研究内容:全面熟悉了解双层圆盘涡轮搅拌器的结构形式,应用场合,国内外研究进展等。应用计算流体力学软件读搅拌器内部流场进行模拟,并分析模拟结果,为研究双层圆盘涡轮搅拌器特性提供一定的参照。

时间安排:

1~3周:调研及查阅文献,翻译外文资料写出开题报告;

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4. 研究创新点

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