搅拌槽内混沌混合的数值模拟

论文摘要

搅拌混合设备是一种典型的过程设备,在工业上中有着广泛的应用。而在工业应用中,很多情况下,只能进行层流操作,搅拌速度很低限制了混合效率的提高。通过实验验证当Re＜500时,在层流搅拌槽中会存在隔离区,并影响着搅拌效率。随着非线性理论与混沌理论的发展,人们开始利用混沌现象来加强层流状态下流体的混合操作。通过破坏隔离区,在整个槽内形成混沌区,可以有效地提高混合效率,缩短混合时间,在工程应用中有着广阔的前景。本文通过对六直叶涡轮叶片的搅拌槽模型进行数值模拟,对于雷诺数低于100的层流混合,进行拉格朗日粒子轨迹计算和拉伸计算,证明瞬态流场内部不仅存在局部混沌,也存在全局性的混沌并且拉伸率越高的区域混合速度越快。通过庞加莱截面可以确定搅拌槽内不同情况下的混沌区和隔离区的位置。通过追踪90个粒子1000个周期内的轨迹,求解各点轨迹与设定平面的交点可以得到庞加莱截面图,以实现对流场分布的描述。通过有限时间内的拉伸指数计算,得出在隔离区由于拉伸值呈线性增长,会得到很低的拉伸值,从可以确定隔离区的具体位置并对混沌力进行量化分析,以展示混沌的静态状态和混沌的局部状态。拉伸指数计算是于初始时刻在θ=0°平面内标记10000个单位矢量,经过200个周期运行,计算出最后一个周期的各矢量的变化率(λ),从而得到每一点的拉伸指数。本文利用FLUENT软件二次开发语言UDF,通过对流体方程的求解计算,实现了对粒子轨迹及拉伸指数的计算,从而得到了二维的庞加莱截面及拉伸指数分布图,以确定隔离区的位置,大小及形状,为层流搅拌槽内流场的分析、结构的优化改进及混合效率的提高提供了重要的依据。

论文目录

• 目录
• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 混沌混合
• 1.2.2 数值模拟技术
• 1.3 本课题研究的主要内容
• 第2章 搅拌槽模型的数值模拟
• 2.1 模型的几何结构
• 2.1.1 搅拌槽结构
• 2.1.2 搅拌桨结构
• 2.2 网格划分
• 2.3 搅拌槽 CFD模拟方法
• 2.3.1 CFD数值模拟方法
• 2.3.2 CFD运算
• 2.4 本章小结
• 第3章 庞加莱截面的绘制
• 3.1 编程语言 UDF
• 3.2 绘制原理
• 3.2.1 粒子轨迹计算
• 3.2.2 庞加莱截面的绘制
• 3.3 实施技术
• 3.3.1 设置时间步长
• 3.3.2 UDF宏的选择
• 3.3.3 边界层的处理
• 3.4 本章小结
• 第4章 拉伸指数的计算
• 4.1 拉伸指数计算原理及算法
• 4.2 实施技术
• 4.2.1 设置时间步长
• 4.2.2 UDF宏的选择
• 4.2.3 拉伸指数计算中数据的处理
• 4.3 本章小结
• 第5章 层流搅拌槽混沌混合的数值分析
• 5.1 对称模型中轨迹点的追踪
• 5.2 庞加莱截面
• 5.3 拉伸指数
• 5.4 本章小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表