SK型静态混合器流动特性研究

论文摘要

静态混合器作为一种新型高效的混合装置,可以有效地进行化工过程强化,在过程工业中应用越来越广泛,甚至在很多场合有取代传统的搅拌反应器的趋势。本文对其中工业应用较多的SK型静态混合器的单液相流速场进行研究,详实地描述了其高雷诺数下流动特性;提出混合器内压力降的数学模型并作出计算。研究结果为混合器内传质、传热的研究及高效混合器的设计提供有益参考和依据。应用三维激光多普勒测速仪(LDA)对SK型静态混合器内流场进行测试,描述了在流体在混合器轴截面内形成与混合元件扭转方向相同和相反的两种流动的现象,揭示了螺旋坐标系下流体的三维时均速度的大小及分布规律,讨论了流量变化对时均速度及脉动特性参数的影响,表明混合元件的加入使流体的时均特性和脉动特性在径向方向得到增强,流场呈各向异性。同时对该混合器出口的流动特性进行测量,揭示其衰减规律。针对实验测量中出现的误差放大现象,提出采用改变激光探头方位的两次测量法,来提高实验数据的准确性。分别采用四种湍流模型模拟计算了SK型静态混合器内的流场,通过模拟计算结果与实验结果相对比,确立了雷诺应力模型计算结果的可靠性;应用该模型对不同流量下,不同长径比的混合器内流场进行模拟计算,讨论了混合元件数和长径比对流场的影响,并由流速场导出计算了应变速率,建立了流速场与混合效果的联系。提出高雷诺数下SK型静态混合器内压力降的力学计算模型,分别探讨了流体与壁面摩擦产生的沿程阻力损失,混合元件反旋和交叉引起的局部阻力损失,并在理论上求解了沿程阻力损失。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究意义
• 1.2 静态混合器简介
• 1.3 静态混合器的应用
• 1.4 静态混合器流场研究进展
• 1.4.1 静态混合器流动特性的CFD 研究进展
• 1.4.2 流场测试技术及静态混合器流场实验研究现状
• 1.5 本文研究内容
• 第二章 实验工作及实验技术
• 2.1 实验工作概况
• 2.2 实验装置及流程
• 2.2.1 实验流程简介
• 2.2.2 被测对象
• 2.3 实验技术—激光多普勒测速技术
• 2.3.1 激光的多普勒效应
• 2.3.2 测速系统的组成和测速原理
• 2.3.3 实验光路布置及速度变换
• 2.4 数据采集
• 2.5 实验误差分析
• 2.5.1 误差产生原因
• 2.5.2 误差放大现象
• 2.6 本章小结
• 第三章 高雷诺数下流动特性的实验研究
• 3.1 速度信号特点及湍流稳定流假设
• 3.2 LDA 实验结果
• 3.2.1 宏观运动特性
• 3.2.2 时均速度
• 3.2.3 脉动速度均方根值
• 3.2.4 湍流动能及湍流强度
• 3.2.5 雷诺应力
• 3.2.6 出口速度特性
• 3.3 本章小结
• 第四章 高雷诺数下流动特性数值模拟与分析
• 4.1 湍流模型描述
• 4.1.1 湍流理论模型
• 4.1.2 湍流近壁面区处理
• 4.2 基本假设
• 4.3 数值实验
• 4.3.1 几何模型的构建
• 4.3.2 边界条件的确定
• 4.3.3 网格的划分及数值方法
• 4.3.4 网格密度的选择
• 4.3.5 湍流模型的选择
• 4.4 模拟结果及与实验结果对比分析
• 4.4.1 混合元件数对流场特性的影响
• 4.4.2 混合元件长径比对流场特性的影响
• 4.4.3 速度场与混合效果的关系
• 4.5 本章小结
• 第五章 压力降研究
• 5.1 力学模型
• 5.1.1 流体沿轴线作直线流动产生的压力降
• 5.1.2 流体绕轴线作旋转运动产生的阻力降
• 5.1.3 混合单元交错位置的局部阻力损失
• 5.1.4 混合器总体的压力降
• 5.2 实验测量
• 5.3 分析与讨论
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与建议
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢