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搅拌槽内三维流场的实验研究及数值模拟

侯拴弟  
【摘要】:机械搅拌反应器以其适用范围广、操作弹性大等特点,广泛应用于诸多工业过程,目前对其虽然已有许多理论研究和实验研究,但有关的理论及设计计算方法仍不完善,设计计算仍处于半经验半理论阶段。本文采用先进的三维激光测速技术,对搅拌槽内局部湍流特性进行了实验研究,测量了固-液体系中固体颗粒存在下液相速度及湍流特性的变化,并结合计算流体力学的方法,成功的模拟了单相及固液两相体系搅拌槽内流动场。 本文在槽径为Φ500mm的有机玻璃槽内,采用三维激光测速仪系统的测量了单相体系搅拌槽内流体时均速度、脉动速度、湍流能谱及相关函数等,分析了搅拌槽内速度信号特点,研究了不同条件下以及搅拌桨叶周期运动对时均速度、湍流强度等空间分布规律的影响。详细测量了多层搅拌桨-槽体系槽内时均速度及湍流参数分布,分析了桨间距对时均速度等流动特性的影响。 采用三维激光测速仪测量了固-液两相搅拌槽内液相时均速度、脉动速度及湍流强度,研究了有固体颗粒存在时液相时均速度、湍流强度及湍流能谱的变化。基于固液两相中固体颗粒的运动方程,推导了颗粒在湍流域中脉动滑移速度表达式,讨论了颗粒增强及抑制湍流条件。 根据搅拌槽内运动特点,本文建立了求解k-ε湍流模型控制方程组的统一数值解法,编制了大型的三维搅拌槽内流动场数值模拟程序,模拟计算了单相体系下,单层及多层桨-槽体系流动场及湍动场分布,并与激光实验测量结果进行了对照,两者符合较好。模拟了不同操作条件(D/T、C/T)及不同流动域下搅拌槽内速度场分布,研究了时均边界条件、脉动边界条件对模拟计算时均速度场的影响。在“黑箱”模拟的基础上,提出了搅拌槽内流动场的整体模拟(同时考虑桨叶区及桨叶以外区域流动)方法,对六直叶涡轮搅拌槽内进行了数值模拟,计算结果与实验测量结果吻合较好,且模拟预测结果优于“黑箱”模型预测结果。该模拟方法减小了模型计算对实测数据的依赖,拓展了数值模拟程序的使用范围。 在双流体模型框架内,将颗粒相湍流kp方程用于固-液体系搅拌槽内流动场的数值模拟,编制了基于固-液两相双流体模型k-ε-kp的大型数值模拟程序,计算了稀疏固液两相体系搅拌槽内流动场分布,定性预测了固体颗粒浓度变化对固液两相宏观速度场的影响。


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