论文题目: 搅拌槽内宏观及微观混合的实验研究与数值模拟
论文类型: 博士论文
论文专业: 化学工程
作者: 闵健
导师: 高正明
关键词: 搅拌槽,混合时间,微观混合,数值模拟,大涡模拟
文献来源: 北京化工大学
发表年度: 2005
论文摘要: 搅拌槽/反应器广泛应用于许多工业过程,宏观及微观混合性能是搅拌反应器优化设计的重要组成部分,对于快速复杂反应过程尤为重要。为此,本文从实验和数值模拟两个方面对宏观混合和微观混合进行了深入的研究,研究内容主要包括以下几个方面: 在直径为Φ0.476m的有机玻璃搅拌槽内,采用电导法测定了宏观混合时间,对标准六直叶涡轮桨(DT-6)和三窄叶翼型CBY桨在单层和多层桨操作下的混合时间进行了实验研究。 在FLUENT6.1计算流体力学(CFD)软件平台和网络平行计算系统硬件平台上,首先采用雷诺平均Navier-Stokes方程(RANS)的方法对宏观混合时间进行数值模拟,采用标准k-ε湍流模型和多重参考系法,并将速度场与浓度场方程分开进行求解方法。对于单层桨体系,不论是DT-6桨还是CBY桨,其混合时间的模拟值均与实验结果吻合良好;对于多层桨体系,CBY桨混合时间的模拟值与实验结果相吻合,而双层DT-6桨混合时间的模拟值要比实验结果长约一倍。此外,本文还采用数值模拟的方法研究了不同的示踪剂加料点和监测点位置对混合时间的影响规律。
论文目录:
摘要
ABSTRACT
目录
前言
第一章 文献综述
1.1 搅拌槽内的混合过程
1.2 宏观混合
1.2.1 混合时间的定义
1.2.2 混合时间的实验研究
1.2.3 混合时间的数学模型
1.2.4 混合时间的CFD研究
1.3 微观混合
1.3.1 微观混合的实验研究
1.3.2 微观混合的机理
1.3.3 微观混合的模型
1.4 搅拌槽内的CFD技术
1.4.1 湍流的数值计算方法
1.4.2 LES方法
1.4.3 搅拌槽内搅拌桨的处理
1.4.4 CFD软件介绍
1.5 本文的研究思路
第二章 宏观混合时间的实验研究
2.1 实验装置
2.2 实验方法
2.3 实验结果及讨论
2.3.1 单层桨的实验结果及讨论
2.3.2 多层桨的实验结果及讨论
2.4 小结
第三章 宏观混合时间的RANS数值模拟
3.1 模拟策略
3.1.1 湍流模型
3.1.2 混合与反应模型
3.1.3 离散化方法
3.1.4 数值求解方法
3.1.5 代数方程解法
3.1.6 定常和非定常问题
3.1.7 网格策略
3.1.8 示踪剂加料点与监控点的选取
3.1.9 具体模拟步骤
3.2 DT-6单层桨的结果与讨论
3.2.1 搅拌槽内的速度场
3.2.2 搅拌槽内的浓度场
3.2.3 模拟结果与实验结果的比较
3.2.4 加料点和监控点位置对混合时间的影响
3.3 DT-6双层桨的结果与讨论
3.3.1 搅拌槽内的速度场及速度场
3.3.2 模拟结果与实验结果的比较
3.4 CBY单层桨及多层桨的标准k-ε模拟结果与讨论
3.4.1 搅拌槽内速度场和浓度场
3.4.2 模拟结果与实验结果的比较
3.4.3 加料点和监控点位置对混合时间的影响
3.5 小结
第四章 搅拌槽内三维流动场的大涡模拟
4.1 计算域
4.2 边界条件
4.3 网格策略
4.3.1 搅拌桨网格区域的大小
4.3.2 网格尺度
4.3.3 滑移网格法
4.4 滤波N-S方程及亚格子模型
4.5 并行计算
4.5.1 并行计算的时间
4.5.2 并行计算网格的分割
4.6 非定常处理
4.7 具体模拟步骤
4.8 计算结果与讨论
4.8.1 时均速度分布
4.8.2 瞬时流场
4.9 小结
第五章 宏观混合时间的LES数值模拟
5.1 模拟策略
5.1.1 网格策略
5.1.2 离散方程的差分格式
5.2 DT-6单层桨的模拟结果与讨论
5.2.1 搅拌槽内的速度场和浓度场
5.2.2 LES、标准k-ε模型模拟结果和实验结果的比较
5.3 DT-6双层桨的模拟结果与讨论
5.3.1 搅拌槽内的速度场
5.3.2 搅拌槽内的浓度场
5.3.3 示踪剂响应曲线及混合时间
5.3.4 LES、标准k-ε模型模拟结果和实验结果的比较
5.4 CBY单层桨搅拌槽内混合过程LES和标准k-ε模型的比较
5.4.1 搅拌槽内的速度场和浓度场
5.4.2 示踪剂响应曲线及混合时间
5.4.3 LES、标准k-ε模型模拟结果和实验结果的比较
5.5 小结
第六章 微观混合的实验研究及模型分析
6.1 微观混合实验
6.1.1 反应体系选择
6.1.2 实验装置
6.1.3 实验步骤
6.1.4 色谱分析
6.2 微观混合模型
6.3 结果与讨论
6.3.1 宏观流场
6.3.2 加料时间对产物分布的影响
6.3.3 单层桨体系加料点位置对产物分布的影响
6.3.4 多层桨体系加料点位置对产物分布的影响
6.3.5 多层桨桨型对产物分布的影响
6.3.6 雷诺数对产物分布的影响
6.3.7 CBY单层桨与多层桨对产物分布的影响
6.4 小结
第七章 总结
符号说明
参考文献
附录
附录Ⅰ 宏观混合时间实验数据及数值模拟结果
附录Ⅱ 微观混合实验数据及数值计算结果
附录Ⅲ 微观混合卷吸模型FORTRAN计算程序
个人简历
致谢
发布时间: 2005-09-26
参考文献
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