搅拌槽内流体流动及上浮颗粒悬浮混合的CFD数值模拟

【摘要】：本文采用CFD数值模拟方法对全挡板搅拌槽内的流体流动以及上浮颗粒的混合质量，尤其是完全悬浮进行了研究。以上翻式和下压式PBT桨（PBTU和PBTD）为研究对象，建模过程主要采用了欧拉颗粒多相流（EGM）模型、标准k-湍流模型、多重参考系（MRF）法等数值模型或方法，并根据不同的固含量研究范围选择适用的曳力模型。 分别对PBTD在搅拌槽内产生的三种典型的单相流流场进行了模拟预测，并基于液相流速的三个组成部分进行了详细描述。继续重点考察了桨叶直径（D）和离底高度（C）对流场流型以及三个重要的宏观混合参数，即功率准数（Np）、排液准数（Nq）和排液效率（ηe）的影响。两种直径（T/3和T/2）的搅拌桨产生的流场流型在发生过渡或转变时对应的无因次离底高度（C/D）分别为1.43和0.75。 分别对PBTU和PBTD搅拌槽内的稠密上浮颗粒体系，采用CFD模拟对Np、云高、局部颗粒浓度等六个混合参数随转速（N）的变化行为进行了预测，并根据其各自的特殊行为判断上浮颗粒发生完全悬浮时的临界转速（NCS），发现PBTU和PBTD的NCS分别为7.5rps和5.8rps。然后基于液速、湍动能、大尺度含能涡旋等模拟结果对两种桨的下拉机理以及流场、流型进行了比较分析，从中找到了造成两种桨之间NCS差异的真正原因。 以PBTU为研究对象，继续详细考察了淹没深度、桨叶直径、槽底部设计等结构参数以及颗粒密度、尺寸、体积分数等物性参数对上浮颗粒的悬浮混合以及NCS的影响，并采用文献中实验数据和悬浮理论等对预测的影响和现象进行了合理的解释。 以PBTU和PBTD为研究对象，重点考察了桨叶直径、淹没深度、桨叶倾斜角度和桨叶个数四个关键的桨叶设计变量对稀疏上浮颗粒体系的悬浮混合的影响，主要谈论了NCS、功率消耗（P）与四个变量之间的关系。 以PBTU和PBTD为研究对象，采用CFD法结合部分因子设计分别对单相和涉及上浮颗粒的两相体系进行了模拟，并基于极差分析、方差分析等方法考察了这四个变量对两体系影响的显著程度和主次顺序。