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柔性桨强化搅拌槽混沌混合的CFD研究

孙瑞祥  
【摘要】:搅拌反应器是一种典型的过程设备,被广泛应用于化学工业、制药工业、石油化工行业、食品加工等众多领域中。由于流体混合行为与搅拌反应器结构间的复杂关联性,以及混合流体自身的高度敏感依赖性和复杂时空混沌特性,致使搅拌反应器的设计与放大至今还缺乏完备的理论支撑而强烈依赖于经验。而搅拌桨是搅拌反应器的核心设备,它向流体提供所需要的能量并形成一定的流场,实现流体的混合。因此,强化搅拌反应器混合效果的重点在于合理设计搅拌桨叶。 相关研究表明,搅拌槽内流体广泛存在隔离区,并影响着混合效率。近年来,伴随着非线性科学和混沌理论的高速发展,人们提出利用混沌现象来强化搅拌槽内流体的混合操作。通过破坏隔离区,在整个槽体内形成混沌区,可以有效的提高混合效率,缩短混合时间,减小能量消耗,因此混沌混合在工业中具有很大的应用前景。 目前,混沌混合的强化方法主要有变速搅拌、偏心搅拌、往复搅拌等,这些方法主要是通过来自流体外部的非规律扰动破坏流体颗粒运动轨迹的周期性和对称性,从而诱发混沌混合。然而这种“外加”型扰动虽然可以有效的诱发混沌混合,但是其操作过程比较繁琐,能量消耗相对较高,设备结构复杂,加工成本高,不利于工业应用。改进桨叶结构设计,从而诱发和强化流体混沌混合的研究较少,也比较缺乏。柔性体与刚性体组合,可设计出具有多体运动行为的节能柔性搅拌桨。本文通过对柔性搅拌桨叶片的搅拌槽模型进行数值模拟,并将结果与传统刚性桨叶进行对比,证明该种柔性搅拌桨可以通过刚-柔-流的耦合作用,利用尺度丰富的涡波对流体颗粒的运动轨迹进行“自激发式”的扰动,从而不仅在局部也能在槽体全局强化混沌混合效果。 本文首先通过PIV系统的实验验证模拟结果的可靠性。然后进一步利用FLUENT软件对柔性桨形成的宏观流场、流体速度特性、湍动性能、桨叶的剪切效果以及功率消耗等进行了研究和分析,具体的结论如下所示: 1.通过对比PIV实验与CFD模拟结果,两者形成的时均流场结构、速度特性基本吻合,误差控制在10%以内,说明本文采用的模拟方法具有较高的可靠性。模拟过程中采用的MRF流场处理方法、标准k-ε方程湍流模型以及边界条件的设定对该实验中的物理模型具有较好的适用性。 2.传统刚性涡轮桨(PBT-6,RDT-6)形成的是典型的“双循环流”,而柔性涡轮桨(柔性PBT-6,柔性RDT-6)形成的流场结构有向“整体循环流”变化的趋势,尤其是柔性六凹叶涡轮桨性成的流场已经有明显的整体循环效果。这说明传统的刚性涡轮桨对流体的以刚性的剪切作用为主进行能量,而柔性搅拌桨则是通过强化流体波动性能,以更丰富的尺度结构对能量进行“柔性传递”。PIV实验结果显示,柔性桨可以有效的强化流场的分形维数,强化程度与转速呈现线性相关,而具体的线性关系则受柔性桨的几何参数控制。 3.搅拌槽内广泛存在两种流型,分别是稳定流型(stable mainflod)和不稳定流型(unstable mainfold),两种流型内的流体通过复杂的耦合作用形成回转式叶状波动流(turn-style lobe),实现两个流型的物质和能量传递,从而诱发混沌混合,在此过程中流体间的相互作用会促使流线进行拉伸、变形。通过混沌混合的诱发过程可以发现,强化流体混沌混合的关键在于强化流体的波流特性,而流体流线结构的拉伸变形是流体混沌混合效果的直观表现。通过对比刚性桨和柔性桨形成的流场速度分布矢量图的模拟结果可以发现,柔性桨有利于流体流线的拉伸、变形,其中柔性六凹叶涡轮桨通过柔性端的波动扰动,使得流体形成了具有较好轴向流动特性的“伪双循环”流线结果,而柔性六直叶涡轮桨在桨叶尖端形成了明显的“S”状流线特性。这些流线结构的改变说明柔性桨可以有效的实现流体能量传递,从而强化流体的混沌混合。 4.传统的刚性桨在桨叶尖端区域的流体具有较高的湍流动能,同时能量的耗散也主要从该区域开始的。这说明桨叶区域附近流体运动剧烈,该区域流体的混合效果好。但是湍流动能这种分布梯度过大不利于能量在整个槽体内均匀分布,易出现较大的隔离区。而柔性搅拌反应器可以有效改善流体湍动能分布,提高搅拌槽内流体的能量传递效率,从而强化流体的混沌混合。 5.径向流剪切作用大,湍动程度高,有利于搅拌槽内物料的破碎、分散,而轴向流,整体循环能力强,功率消耗相对较小,有利于搅拌槽内物料的混合。总体来看,柔性搅拌桨的剪切能力与传统的刚性搅拌桨基本相同,但其混合效果要优于传统的刚性桨叶,柔性桨可以有效的结合轴向流桨叶和径向桨叶的优点,具有广阔的工业应用价值。


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