直—斜叶组合桨搅拌槽内三维流场的数值模拟与实验研究

论文摘要

搅拌设备在化学工业、生物工程、制药工程、材料加工及食品加工等领域有着广泛的应用。当所处理的介质对剪切敏感时,通常要求搅拌处于低雷诺数的层流状态。如何应对随之而来的混合效率降低、副产品生成量增加等现象,成为层流搅拌槽研究中亟待解决的问题。本文对双层直-斜组合桨搅拌槽内混合的形成机理、流动特性、影响因素及在工程实际上的应用作了理论分析、数值模拟和实验研究。（1）对搅拌槽内的流动特性进行介绍,提出一种非对称混合的构想,运用桨叶组合结构的变化及其在搅拌槽中布置的非对称性,来增加对搅拌槽中层流流体的搅动,提高混合效率。（2）选用CFD软件FLUENT6.1,采用多重参考系法（MRF）及Laminar模型分别对安装有不同桨型组合叶片、槽径为Φ200mm的有机玻璃槽内的非牛顿流体（甘油和水的混合物）的搅拌流场进行数值模拟。研究了双层直叶片、双层倾斜叶片及双层直-斜组合叶片的同心搅拌、偏心搅拌及上下层叶轮相对于转轴反向偏心搅拌三种不同情况下的流场特性,并进行了对比分析。结果表明,桨叶的形状、组合结构等因素都对流场的形态有很大影响。（3）采用持续片光源、示踪粒子定性描绘出两种组合桨在三种不同空间布置方式搅拌槽内的宏观流动场,与数值模拟结果对照,流场形态基本一致,说明数值模拟方法能很好地模拟出实际情况。斜叶片使其上、下两循环圈交界处的合成速度不水平,以下压斜桨为例,它可使交界处的合成速度向下倾斜、上循环圈强于下循环圈,且斜叶片越多,这种现象越明显。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 搅拌槽概述
• 1.2 搅拌槽内流动特性研究
• 1.2.1 宏观流动场
• 1.2.2 搅拌槽内流动特性研究的发展概况
• 1.3 搅拌槽内非牛顿流体层流流动的研究
• 1.4 课题来源及主要研究内容
• 1.4.1 课题来源
• 1.4.2 主要研究内容
• 第2章 数值计算和实验原理简介
• 2.1 数值计算方法在搅拌槽中的应用
• 2.1.1 CFD 方法概述
• 2.1.2 CFD 在搅拌槽中应用的历史
• 2.1.3 CFD 在搅拌槽中应用的最新发展
• 2.2 数值计算原理
• 2.2.1 CFD 软件简介
• 2.2.2 CFD 基本原理
• 2.3 实验原理
• 2.3.1 实验方法简介
• 2.3.2 示踪粒子的发生
• 2.4 搅拌槽建模
• 2.5 本章小结
• 第3章 双层直、斜叶桨搅拌槽内流场的数值模拟
• 3.1 模拟策略
• 3.1.1 搅拌槽的结构和设置
• 3.1.2 网格划分
• 3.1.3 多重参考系法-MRF
• 3.1.4 数值求解步骤
• 3.2 双层直叶、斜叶涡轮搅拌桨流场模拟结果对比分析
• 3.2.1 宏观流动特性
• 3.2.2 时均速度分布
• 3.3 本章小结
• 第4章 双层组合桨搅拌槽内流场的数值模拟
• 4.1 模拟策略
• 4.2 两种不同组合桨流场模拟结果对比分析
• 4.2.1 宏观流动特性
• 4.2.2 时均速度分布
• 4.3 本章小结
• 第5章 双层组合桨搅拌槽内流场的实验研究
• 5.1 实验原理
• 5.2 实验装置
• 5.2.1 运动控制卡
• 5.2.2 伺服驱动器
• 5.2.3 伺服电机
• 5.2.4 搅拌槽
• 5.2.5 实验介质
• 5.2.6 实验台架
• 5.3 实验步骤
• 5.4 实验结果分析
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果
• 致谢
• 作者简介