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机械搅拌反应器三维流场的数值模拟

冯伟  
【摘要】: 搅拌设备被广泛地应用到许多工业过程中,其中机械搅拌反应器是化工、水处理等行业必不可少的设备,用来实施流体混合、气体分散与固相悬浮以及促进传热、传质,在化工过程及相关的工业中占有很重要的地位。目前,搅拌反应器的选型和设计在很大程度上依赖于实验和经验,对内部流场缺乏深入的认识,而且无法向几何参数、操作条件不同的过程推广。设计不合理的搅拌器既影响了工艺过程的混合效率,同时也增加了能耗。 近年来计算流体动力学(CFD)技术在搅拌混合过程的研究中得到广泛应用,这种方法可以方便地对新型结构、不同操作状况等情况进行模拟,可以获得搅拌器内的局部信息,使预测结果可视化,对搅拌反应器的优化设计及放大提供了依据。 本文利用Fluent软件对机械搅拌反应器中混合过程的三维流场进行了数值模拟,分析了流场速度和湍流动能分布情况以及挡板对消除流场“打漩”现象的作用,对功率的模拟结果与理论推导结果进行了对比,通过改变搅拌器桨片直径、跨距等结构参数,分析了桨片直径和跨距对搅拌效果的影响。经过模拟分析可知,RNGk -ε湍流模型能够对机械搅拌反应器的流场进行正确的模拟和预测的;对功率的模拟结果与理论推导结果进行了对比,发现有很好的吻合;由于桨叶和挡板的周期性作用,叶轮所产生的流动场也是周期性的;挡板的设置使得流场在搅拌器内两挡板与搅拌轴间形成涡流,增大了被搅拌液体的湍流程度,促进物料微观尺度上的混合,从而改善搅拌效果,但是挡板也在一定程度上增加了能耗;为减少能耗,在满足混合效率的情况下,应尽量减小搅拌桨的直径;跨距对功率和流场内速度及湍流强度的大小几乎不产生影响,它主要影响搅拌器内流场的分布均匀性,选取恰当的跨距可以使主流扩散和涡流扩散的混合效果更佳。研究结果对机械搅拌反应器的设计及应用具有一定的指导依据。


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