涡轮桨变速搅拌槽内湍流混合的实验研究

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刚-柔组合搅拌桨强化流体混沌混合

刚-柔组合搅拌桨强化流体混沌混合刘作华;孙瑞祥;王运东;陶长元;刘仁龙【摘要】Rational design of impellers in stirred vessels for strengthening the fluid flow and mixing is an important way to achieve efficient and energy-saving mixing. Rigid-flexible coupling impeller can be designed by combination of flexible body and rigid body, possessing multiple-body motion behavior. In this study, CFD simulation and PIV flow visualization were comparatively employed to analyze the difference between rigid impeller and rigid-flexible coupling impeller for fluid flow structure and mixing performance. Results showed that, compared with rigid impeller system, velocity decaying rate was reduced by 25% with rigid-flexible coupling impeller system, because it had the ability to intensify the input energy transportation by flexible part and distribute the input energy in flow field structure effectively. The streamline of the fluid stirred by rigid PBT-6 impeller and rigid RDT-6 impeller had obviously periodic attractor with fractal dimension 1.9046 and 1.9138 respectively. Rigid-flexible coupling impellers could intensify chaotic mixing of fluid and regulate the fractal dimension of flow field structure. The streamline of fluid stirred by flexible RDT-6 impeller had quasi-periodic attractors with fractal dimension of 1.9337, while the fractal dimension of chaotic attractor was 1.9545 with flexible PBT-6 impeller. It suggests that the flexible impeller could regulate multi-scale structure of the flow field by changing streamline attractor to intensify the chaotic mixing and achieve energyefficient operation.%合理设计搅拌反应器的桨叶，强化流体流动与混合行为，是实现流体高效、节能混合的重要手段。

CBY桨搅拌槽内湍流结构的研究

底距离Ｃ＝Ｔ３全挡板条件，／，挡板宽度为Ｔ１。以／０
常利用常规二维粒子图像测速仪（ＤＩ测定搅拌２ＰＶ）槽内的速度场，采用角度解析的方法将周期性脉并动和湍流脉动分开。时间解析粒子图像测速仪
一
步研究表明，波分析能将脉动速度分解到各个尺度上，率越低的尺度所含的能量越大，各尺度能量有着相小频且
似的分布规律。此外，随着雷诺数的增大，因次化后的周期性脉动动能和真实湍流动能基本不变。无关键词：波分析；拌槽；ＲＰＶ；流结构；谱小搅ＴＩ湍能
中图分类号：Ｑ２Ｔ０７
芦Ｉｊ
士百
流的能量分布和在不同雷诺数下湍流动能的变化情
况。
各种形式的搅拌槽普遍应用于化工、金、冶食品、药等领域。搅拌槽内流场的流动特性对搅拌制槽内物料的混合程度起着至关重要的作用。
收稿日期：０００ — ６２１—２２
一
为避免圆形壁面对光的折射，将搅拌槽安置在
个同样材质的长方形器皿内，内部充满相同液位
的清水介质。示踪粒子为直径约８～１ｍ的空心２
玻璃珠，叶转速Ｎ＝１６２，６，８，０，２桨５．５１０１０２０２０ｒ／

半圆管曲面涡轮搅拌槽内混合特性的数值模拟

ＫｅａｏａｏｙｏｎｔｎＭｏｉｏｉｇ＆Ｃｏｔｏｏｗｅａｔｕｐｎ．ＭＯＥ．ＮｏｔｈｎｅｔｉｗｅｙＬｂｒｔｒｆＣｏｄｉｉｎｔｒｎｏｎｒｌｆｒＰｏｒＰｌｎＥｑｉｍｅｔｒｈＣｉａＥｌｃｒｃＰｏｒ
ｔｎｋｓｉｒｄｂｙａＳｍｉｈｔｂｉｎａｐａｆｍｏｍｅｃａａｔｒｅｔｕｒｎｅｉｌｔｏｒｏｆｃｍｒｉｌＣＦＤｏｔｒｃｇｓｆｗａｅｐａｋａｅ，ＣＦＸＩ．．ＴｈｅｒｌｔｖｅＯ０ｅａｉｒａｉｎｏｔｔｏｂｅｗｅｎｔｅｂａｆｅａｔｉｐｅｌｒＳｆｌｓｎｄｈｅｍｌｅｉｎｕｅｉａｌｓｍｕａｅｂｙＭｕｌｉｅｍｒｃｌｙｉｌｔｄａｔｐｌＲｅｅｅｅｆｒｎｃＦｒｍｅａ
第６卷１
第９期
化
工
Ｖ０１６１Ｎｏ．．９Ｓｅｅｂｅ２０ｐｔｍｒ０１
２１００年９月
ＣＩＥＳＣ
半圆管曲面涡轮搅拌槽内混合特性的
数值模拟
齐娜娜，吴桂英，王卉，张锴，张虎。。
（国石油大学（京）重质油国家重点实验室，北京１２４；中北０２９。德莱德大学化学工程学院，阿德莱德Ｓ０５阿Ａ５０，澳大利亚；
。ｃｏｌｆＣｅｃｌＥｎｉｅｒｎＳｈｏｈｍｉａｇｎｅｉｇ，ＵｎｖｒｉｙｏｅａｄｏｉｅｓｔｆＡｄｌｉｅ，ＡｄｌｉＡ０５，ＡｕｔａｉｅａｄｅＳ５０ｓｒｌａ；

用CFD研究搅拌槽内的混合过程_周国忠

研究论文用CFD 研究搅拌槽内的混合过程周国忠　王英琛　施力田(北京化工大学化学工程学院,北京100029)摘　要　在CFX 软件的基础上开发了用于混合过程计算的程序,并在流动场计算的基础上对单层涡轮桨搅拌槽内的混合过程进行了初步的数值研究.对速度场和浓度场联立求解与单独求解两种处理方法分别进行了计算,计算得到的浓度响应曲线与文献数据趋势一致,两种方法计算的混合时间变化规律一致,联立求解计算得到的混合时间略小于单独求解,但是联立求解的计算量非常大.计算结果表明:混合过程与计算采用的流动场密切相关;混合时间大小不仅与监测点位置有关,还与加料位置有关,在搅拌桨附近加料混合时间最小,在槽底部加料混合时间最大.关键词　混合时间　计算流体力学(CFD )　涡轮搅拌桨　搅拌槽中图分类号　TQ 018 文献标识码　A文章编号　0438-1157(2003)07-0886-05CFD STUDY OF MIXING PROCESS IN STIRRED TANKZH OU Guozhon g ,WANG Yingchen and SHI Litian(College of Chemical Engineering ,Beijing University of Chemical Technology ,Beijing 100029,China )Abstract Aprogram for mixing calculation was developed based on the commercial CFD code C FX4.It was used in thenumerical study of mixing process of a single Rushton tur bine in the stirred tank .Coupled and segregated solutions of momentum and mass equation were adopted .The calculated concentration response curve was consistent with the literature data .Both solutions predicted the sa me change of mixing time ,but the value of mixing time from coupled solution was shorter than that fr om segregated solution .Coupled solution needed much more computational efforts than segregated solution .The mixing process relied on the flow field used for mixing calculation .The value of mixing time was dependent on the position of detection and feeding .When the tracer was fed near the impeller ,the mixing time was the shortest .When it was fed near the bottom of the tank ,the mixing time was the longest .Keywords mixing time ,computational fluid dynamics (CFD ),Rushton turbine ,stirred tank 2001-10-09收到初稿,2001-12-17收到修改稿.联系人:施力田.第一作者:周国忠,男,29岁,博士.基金项目:国家自然科学基金资助项目(No .29976002).引　言搅拌混合广泛应用在许多工业过程中,如化工、冶金、生化、食品等.在许多情况下,物料的混匀过程及其快慢对该操作是至关重要的.对局部流动和混合信息的了解不仅有助于改善整个过程的产率,减少副产物,还能够指导反应器的设计,使其效益更高.近年来,随着CFD 技术的发展,利用数值模拟的方法获得局部信息已经成为现实.利用CFD 方法可以节省大量的研究经费,而且可以获得实验手段所不能得到的数据.CFD 将对搅拌设备的开发带来革命性的变化[1]. Re ceived date :2001-10-09.Corresponding author :Prof .SHI Litian .Foundation item :supported by the National Natural Science Founda -tion of China (No .29976002).Noor man [2]对单层涡轮桨搅拌槽内的混合过程进行了实验研究和数值模拟,其示踪剂响应曲线与实验结果趋势一致,但在细节上有较大差别.Lun -den [3]的研究结果与他们一致.Schmalzriedt [4]也计　第54卷　第7期化工学报 Vol .54　№7　2003年7月 Journal of Chemical Industry and Engineerin g (China ) July 2003算了单层涡轮桨的三维浓度场分布,并利用文献数据进行了验证,认为其结果与湍流模型密切相关.Jaworski [5]利用FLUE NT 软件模拟计算了双层涡轮桨的混合过程,计算的混合时间θ95是实验值的2～3倍,他们认为主要是由于各循环间的传质过程被低估所致.搅拌槽内混合过程的数值计算比较复杂.国内,毛德明[6]利用混合模型研究了搅拌槽内的混合过程.而真正将流动场与混合时间结合起来的研究尚未见报道.本文在CFX 软件的基础上开发了混合过程计算程序,将流动场与混合时间的计算结合起来,从计算流体力学的角度研究了涡轮搅拌桨的混合过程.1　流体力学模型对浓度场的计算需要求解浓度输运方程,在圆柱坐标系下质量守恒方程式为c t + z (uc )+1r r (r vc )+1r θ(wc )= z D eff cz+1r r rD eff c r +1r θD eff r c θ+S c式中　S c 为方程的源项;D eff 为湍流扩散系数,D eff =νeffS c ,S c 为Schmidt 数,νeff 为湍流运动黏度,取速度场中的值.2　计算策略2.1　搅拌槽结构与网格划分计算所采用的搅拌槽槽体为圆柱形,均布4块挡板.搅拌槽直径T =0.5m ,液位高H =T ,挡板宽为T /10,离槽壁0.008m .搅拌桨为标准六直叶涡轮,搅拌桨直径D =T /3,桨叶离底距离C =T /3.工作介质为水.计算中搅拌转速为120r ·min -1.在此条件下,叶端线速度为U tip =1.05m ·s -1,搅拌Reynolds 数为Re =5.56×104.根据流动的对称性,计算域选取了槽体的一半.图1所示为监测点P1,P2,P3和加料点I1,I2,I3在槽内的位置.监测点与对应加料位置高度相同.所有位置点均在两相邻挡板之间槽壁的中点处.计算中采用的网格是结构化的六面体网格,这种网格的划分比较复杂,但在计算过程中的收敛性较好.图2所示为划分的网格,网格分布是39×36×60(r ×θ×z ),共78921个网格,叶片表面的网格分布是10×9.由于采用滑移网格法进行计算,桨叶区的网格随着桨叶一起转动,在转动与静止的Fig .1　Position of feeding and detectingFig .2　Grid in stirred tan k界面上要定义非匹配边界条件.2.2　计算方法计算使用的软件是CFX 4.4.流动场的计算采用滑移网格法.由于滑移网格法计算量非常大,为节省时间,在计算开始时选取一个较大的时间步进行计算,以消除初始效应.在最后一轮计算时选用小的时间步进行计算,以获得稳定的流动场.混合时间是描述混合过程的重要参量,本文中混合时间是指物料达到完全均匀的95%所需要的时间(θ95).混合时间的计算是通过加入用户标量(USER SCALAR ),然后计算其浓度分布来实现的.示踪剂初始浓度的计算首先根据物理坐标找到相应的网格点,该网格点和其相邻的6个网格均定义示踪剂的初始浓度为1.0,其他区域均为0.示踪剂混合过程是一个随时间变化的动态过程,计算过程需要采用滑移网格法.在具体计算时采用了两种方法:第1种方法在计算时同时解算所有的方程;第2种方法在计算时只计算示踪剂浓度的输运方程,速度、湍流参数等的输运方程被锁定,不再进行计算,这样可以大大节省计算时间.由此就可以得到示踪剂浓度随时间的变化过程,根据浓度的变化过程可以计算混合时间,并可以将监测点的浓度变化·887·　第54卷第7期周国忠等:用CFD 研究搅拌槽内的混合过程与实验数据进行比较.为考察流动场对混合过程的影响,计算流动场时采用了两种不同的湍流模型,分别为标准k -ε模型和RNG k -ε模型.3　结果与讨论图3所示是加料位置为I1时不同时刻示踪剂的浓度分布图.由此可以直观地观察到示踪剂的分散过程.在计算浓度分布时,本文采用了两种方法:第1种方法是联合求解所有的方程;第2种方法是假设速度场稳定,单独计算浓度场.图4给出了两种方法的计算结果,括号内的数据为混合时间θ95.从图中可以看出,监测点的响应曲线基本是一致的,只在局部位置略有变化.第2种方法计算的混合时间普遍要比第1种方法略大.产生这种差别的原因主要是由于搅拌槽内的流动场并不是稳定不变的,而是呈现周期性和三维非稳态,流场的不稳定性可以促进传质过程的进行,从而使得混合时间降低.联合求解的缺点是计算工作量非常大,完全相同的条件下其计算量是第2种方法的2.2倍.若根据流动场的要求再减小时间步,增大迭代步数,其计算量将增大1～2个数量级.因此,许多研究者都采用了稳定流动场的假设,即本文所述的第2种方法,如Schmalzriedt [4]、Ja worski [5].从计算结果看,两种方法对混合时间的预报规律是一致的,仅在数值大小上略有差异.第2种方法完全可以将问题表述清楚,同时它可以大大降低计算工作量,并可针对质量传递与动量传递各自的特点采取不同的处理方法,具有较大的灵活性.本文在后面的计算均采用第2种计算方法.图5所示分别是在标准k -ε模型和RNG k -ε模型计算的流动场基础上得到的浓度响应曲线和混合时间的比较.从图中可以看出,在不同的监测位置浓度响应曲线明显不同,表明搅拌槽内浓度场的变化依赖于流动场.在监测位置P1,P3处RNG k -ε模型的混合时间大于k -ε模型的混合时间;而在监测位置P2处则刚好相反,k -ε模型的混合时间大于RNG k -ε模型的混合时间.因此,混合过程与计算采用的流动场密切相关.图6所示是在3个不同加料位置、不同监测点的浓度响应曲线与混合时间.从图中可以看出,不同监测点的浓度响应曲线和混合时间差别较大.在加料位置I1处,P1位置处的浓度波动最大,而P2和P3位置处的浓度波动较小,这主要是由于P1与I1处于同一高度,而且涡轮桨流动场内的切向速度分量较大造成的.在液面位置处的混合时间均要比在槽底位置处的混合时间短.在桨叶高度处监测点的混合时间则与加料位置有关.在液面处加料时,P2的混合时间低于P1和P3的混合时间;而在另两个加料位置处,P2的值则介于液面P1和槽底P3计算值之间.混合时间不仅与监测点位置有关,还与加料位置有密切关系.在槽底I3处加料,混合时间最长;在桨叶高度处I2加料,混合时间最短;在液面I1处加料,则介于其他两个位置之间.该结论对于快速反应非常重要,众多文献也发现在搅拌桨附近加料后的混合速率比其他区域的快很多.这主要是由于该位置处的速度较大,湍动强烈,因而能很快地将物料分散到槽内其他区域.Fig .3　Concentration distribution of tracer at different times·888·化工学报 2003年7月　Fig .4　Comparison of concentration response curve and mixing time for twocomputational methods (feeding position is I1)Fig .5　Comparison of concentration response curve and mixing ti mefor different flow field calculated using different turbulent model (feeding position is I1)Fig .6　Concentration response curve and mixing time at different feeding position4　结　论在C FX 软件的基础上开发了混合过程计算程序,在国内首次从CFD 的角度对搅拌槽内的混合过程进行了数值研究.根据对单层涡轮搅拌桨的研究结果得到如下结论.(1)速度场与浓度场联立求解与单独求解计算的混合时间变化规律一致,单独求解所得到的混合时间要比联立求解略大.单独求解完全可以将问题表述清楚,同时其计算工作量小,计算比较灵活.(2)采用不同湍流模型的流动场计算的混合时间明显不同,表明混合过程与计算采用的流动场密切相关.(3)混合时间的大小与加料位置和监测点的位置都有关系.在搅拌桨附近加料所得的混合时间最小,在槽底处加料混合时间最大;相同加料位置,监测点在槽底部时混合时间最大.(4)本文所得结果虽其绝对值的准确性需要用实验予以确认,但相对值的规律性是可取的,因此,用于比较同一桨型、选择最佳加料位置、比较不同桨的混合特性、优选桨型是有价值的.符　号　说　明C ———桨叶离底距离,m c ———浓度,mol ·L -1D ———搅拌桨直径,m·889·　第54卷第7期周国忠等:用CFD 研究搅拌槽内的混合过程 H ———槽内液位高度,mk ———湍流动能,m 2·s -2Re ———Reynolds 数r ———径向距离,m T ———搅拌槽直径,m t ———时间,su ———轴向速度,m ·s -1v ———径向速度,m ·s -1w ———切向速度,m ·s -1z ———轴向距离,m ε———湍流耗散率,m -2·s -3θ———切向位置θ95———混合时间,s References1　Wang Kai (王凯).Mixing Equipment Design (混合设备设计).Beijing :Mechanical Industry Press ,20002　Noorman H ,Morud K ,Hjertager B H ,Tragardh C ,Larss on G ,Enfors S O .CFD Modeling and Verification of Fl ow and Conversion in a 1m 3Bioreactor .In :Proc .3rd Int .Conf .Bioreactor and Bioprocess ing Fluid Dynamics .Cambridge :1993.241—2583　Lunden M ,Stenberg O ,Anderss on B .Evaluation of a M ethod of Meas uring Mixing Ti me Using Numerical Simulation and Experimental Data .C he m .Eng .C ommun .1995,139:115—1364　Schmalzriedt S ,R euss M .Application of Computational Fluid Dynamics to Simulations of Mixing and Biotechnical Conversion Processes in StirredTank Bioreactors .In :Proceedings of 9t h Europe Conference on Mixing ,Paris ,1997.171—1785　Jawors ki Z ,Bujalski W ,Otomo N ,Nienow A W .CFD Study of Ho mogenization with DualR ushton Turbines ———Comparison withExperimental R es ults .Trans .IC he mE .,2000,78A :327—3336　Mao Deming (毛德明).Bas al Study of Flow and Mixing in Stirred Tank with Multipl e Impeller :[diss ertation ](学位论文).Hangzhou :Zhejiang Uni vers ity ,1997《化工学报》赞助单位四川大学化工学院浙江大学化学工程与生物工程学系大连理工大学化工学院北京化工大学浙江工业大学化工学院西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室武汉化工学院上海化工研究院西南化工研究设计院上海交通大学化学化工学院华南理工大学化工学院石油大学(北京)·890·化工学报 2003年7月　。

桨叶式搅拌槽内部流场数值模拟及PIV试验

ｈｒｚｎａｕｆｃｒｔｄｅｅｐｃｉｅｙＭｅｎｉｅ，ＰＶｓｕｓｄｔｔｄｎｉｃｓｈｅｒａｏｏｏｔｌＳｒａｅｗｅｅｓｕｉｄｒｓｅｔｖｌ．ｉａｗｈｌＩｗａｅｏｓｕｙａｄｄｓｕｓｔｅｌｆｗｌｃｎｔｏｎｔｅａｉｔｒｔｎｏｄｉｎｉｈｇｔｏａｋ．Ｔｈｘｒｍｅｔｌｄｔｆｖｌｃｔｉｔｂｔｏｎａｉｔｒｔｎｉｕｄｌｖｌｉａｅｅｐｅｉｎａａａｏｅｏｉｄｓｒｕｉｎｏｇｔｏａｋｌｑｉｅｅ，ｙｉａ
籼
桨叶式搅拌槽内部流场数值模拟及ＰＶ试验Ｉ
王春林，吕亚云，史亚婷，丁剑，李长军
（Ｊ久学能源动力Ｊ学院，江镇江２２１｝苏：：ｌ０３）
摘
要：对搅拌槽内的混合过程进行了三维数值模拟，用多重参考系法（Ｆ以及标准ｋ一采ＭＲ）
模型，分析了搅拌槽内液体的流动情况．了了解采用的叶轮模型能否有效地搅拌液体，析了为分
搅拌槽内垂直面和水平面的速度分布情况．用ＰＶ技术对搅拌槽内的真实流动情况进行了研运Ｉ究和探讨．通过比较搅拌槽液面、叶轮排放区、叶轮流入区以及槽底的速度分布与数值模拟速度分布之间的差异，现数值模拟和试验所反映的轴向速度增减趋势相同，最大速度点的差别有发但

搅拌槽内单相湍流流场数值模拟研究进展

CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS 2011年第30卷第6期·1158·化工进展搅拌槽内单相湍流流场数值模拟研究进展杨锋苓1，2，周慎杰1（1山东大学机械工程学院，山东济南 250061；2山东大学动力工程及工程热物理博士后流动站，山东济南 250061）摘要：搅拌槽内的流场是决定混合、传热及传质等操作的基础，对流场的研究具有十分重要的意义，计算流体动力学是研究流场的重要方法。

本文回顾了搅拌数值模型的发展历程，阐述了三十年来各种搅拌流场数值模拟方法的特点及其应用情况，对比分析了各种湍流模型的优缺点，并展望了未来搅拌槽内单相湍流模型的发展方向。

关键词：搅拌槽；湍流；数值模拟；计算流体动力学中图分类号：TQ 027 文献标志码：A 文章编号：1000–6613（2011）06–1158–12 Progress of numerical simulation of single-phase turbulent flowfield in stirred tanksYANG Fengling1，2，ZHOU Shenjie1（1School of Mechanical Engineering，Shandong University，Jinan 250061，Shandong，China；2Center for Post-doctoral Studies of Power Engineering and Engineering Thermophysics，Shandong University，Jinan 250061，Shandong，China）Abstract：The flow field in stirred tank has a significant effect on mixing，heat and mass transfer and other processes occuring in the stirred tank. Accordingly，investigation on the internal flow field of the stirred tank is of great importance，and computational fluid dynamics（CFD）is one of the most popular methods. In this paper，development of the dimensionality of numerical model of the stirred tank is firstly reviewed. Subsequently，the principle and their applications of nine different stirrer modeling methods in last three decades are presented. Finally，the characteristics of four turbulence models are compared. The future development of turbulence modeling of single-phase turbulent flow field in the stirred tank is discussed.Key words：stirred tank；turbulence；numerical simulation；computational fluid dynamics搅拌是过程工业中常见的单元操作之一，在化工、生物、制药、废水处理等行业中的应用非常广泛。

搅拌槽内部固-液悬浮流场的数值模拟及实验研究

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈｔｈｅｒａｐｉｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｃｏｍｐｕｔｅｒｔｅｃｈｍｄｏｇｙａｎｄｔｈｅｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｉｍｐｒｏｙｅｍｅｎｔｏｆｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｌｕｆｉｄ
机械设计与制造
ｌ７０ＭａｃｈｉｎｅｒｙＤｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ
第５期２０１３年５月
搅拌槽内部固一液悬浮流场的数值模拟及实验研究
贾海洋，唐克伦，唐永亮，付磊，张洋，刘琰
ＬＤＶａｎｄＰＩＶｍｅｃａ￣ｕｒｅｍｅｎｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｔｏｃｒｒａｉｅｄｏｎｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｌａｓｔｕｄｙ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈｔＣＦＤａｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔ
ｃｏｉｎｃｉｄｅｓｗｉｔｈｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄｔａａｖｅｒｙｗｅｌ１．Ｓｉｘｌｅｄｉｓｃｔｕｒｂｉｎｅｂｌｅｎｄｅｒｉｎｔｅｒｎｌａｓｏｌｉｄ－ｌｉｑｕｉｄｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎｌｏｆｗｉｆｅｌｄｉｓ
ｃｔｄｃｕｌｔａｅｄｂｙｕｓｉｎｇｓｌｉｄｉｎｇｇｒｉｄｍｅｔｈｏｄ．ＴｈｅｓｔａｎｄａｒｄｔｕｒｂｕｌｅｎｔｍｏｄｅｌａｎｄＥｕｌｅｒＭｅｔｈｏｄｔｏｅｓｔｂｌａｓｉｈｔｈｅ＿／２ｕｉｄｍｅｃｈａｎｉｃｓ

带导流筒搅拌槽中循环流量的实验研究_肖建军

2002年第23卷第1期华　北　工　学　院　学　报V ol.23　N o.1　2002 (总第81期)JOURNAL OF NORTH C H I NA INSTITUTE OF TEC HNOLOGY(Sum N o.81)文章编号:1006-5431(2002)01-0025-05带导流筒搅拌槽中循环流量的实验研究肖建军,包雨云,黄雄斌,施力田(北京化工大学化学工程学院,北京100029)摘　要:　目的　研究带导流筒搅拌槽内循环流量的影响因素,优化搅拌桨型式.方法　在直径为0.5m和0.8m的带导流筒的搅拌槽内,采用热示踪热响应法系统考察了搅拌桨型、叶轮雷诺数、导流筒直径和离底距离、静液位高度、列管设置及其流通面积对循环流量的影响.结果与结论　优选出新的能产生更大循环流量的搅拌桨型式,得出各结构参数对循环流量准数的影响情况.关键词:　导流筒;循环流量;搅拌桨中图分类号:　T Q027.2 文献标识码:A0　引　言文献[1]对导流筒—搅拌槽体系内的固—液悬浮进行了研究,分析了该体系中各主要参数对搅拌水力学性能和均匀悬浮性能的影响,初步讨论了各主要参数的优化方向.Oldshue[2]提出了该体系内流量、压头、功率的关联式,为后续的研究工作提供了理论指导.对循环流量的研究,大多数是在不带导流筒的搅拌釜中进行[3],对带有导流筒结构的研究文献报道很少,而在釜内同时安装有列管换热器及导流筒结构的搅拌釜反应器内的循环流量的研究未见文献报道.作者采用目前聚酯生产中酯化反应器的搅拌桨与北京化工大学专利搅拌桨进行对比,系统地研究了搅拌叶轮雷诺数、导流筒直径、离底距离、静液位高度以及釜内换热列管对循环流量的影响.1　实验部分1.1　实验装置1.1.1　搅拌桨实验所用的桨型:①为5叶下压式的简易型轴流桨;②为5叶CBY桨;③为5直叶透平桨,分别如图1(a),1(b),1(c)所示.图1　搅拌桨示意图Fig.1　Sch ematics of impeller收稿日期:2001-12-13　基金项目:部级基金资助项目　作者简介:肖建军(1972-),男,硕士生.从事专业:化学工程.(a)(b)图2　桨①及桨②的叶片正视图Fig .2　Fron t view of blade of th e impeller ①and ②浆①是工业用浆,其叶片结构为三折叶,叶片的安装角度为U (见图2(a )),且叶片端部与叶片根部的角度一致;桨②为北京化工大学专利桨,叶片与流体的作用面为平滑的曲面,叶片的根部安装角为Ua (见图2(b )),且沿着叶片半径方向向外角度逐渐减小,叶片的端部角度为U t (U t <U a ).平桨③的叶片宽度为40m m,该桨的特点是能在槽内产生较大的径向流动,因此一般将其置于导流筒下沿外端,以增大导流筒出口处的径向流动,从而加大槽内的循环流量.图3　列管换热器示意图Fig .3　Tubular h eat exch ang er 1.1.2　搅拌槽及其内构件在直径d 为0.5m 和0.8m 的搅拌槽中采用单层桨(即①和②)和双层桨组合(即①+③和②+③)进行研究.③桨作为底层桨,两层桨层间距分别为0.162m (在0.8m 的搅拌槽中)和0.101m (在0.5m 的搅拌槽中),搅拌桨直径D 为导流筒直径d 1的94%.釜内安装4块挡板,挡板宽度为完全挡板(即0.1d );导流筒内安装5块挡板,挡板宽度为1/3d 1.搅拌槽的内部构件尺寸如表1所示.在导流筒和槽壁间装有垂直列管式换热器,工业用列管式换热器的管内是反应物,管间为加热介质.在冷模实验中,采用自来水模拟反应物,管间没有物料.列管式换热器的结构如图3所示.实验所用的介质为水,温度约为(23±5°)℃.表1　实验所用搅拌槽及其构件的尺寸T ab .1　Structural parameters of agitating tank and its compon ents 槽直径d /mm500800导流筒直径d 1/mm182170154285离底距离△C /m m 927252108液位高度H /mm 4615807208001.2　循环流量测量方法循环流量的测量方法可分为接触法和非接触法[3].由于要在导流筒和槽壁间设置列管式换热器,因1-搅拌槽;2-挡板;3-列管换热器;4-导流筒;5-桨叶;6-冰点;7-热电偶探针图4　实验系统装置图Fig .4　The experimen tal sys tem 此可选用热电偶法,该法精度较高,热电动势便于记录、处理.采用热电偶法测量流体的速度时,由于热电偶探头由多个热电偶探针串联而成,探头的体积较大(最大外径约为8m m ),这样测量的速度值相对于流体的真实速度会偏小.用桨①+③在槽径为0.8m且无列管的情况下,在不同的液位高度对用数小球法测得的流量准数值对热电偶法测得循环流量准数值进行标定,结果如表2所示.由表2可见,由于热电偶法测量流体速度时,探头的存在决定了其测得的速度偏小,因此在计算循环流量准数时应补充校正偏差才为流体的真实的流量准数(表2中,校正系数k =N q c (小球法)/N q c (热电偶法))表2　标定结果Tab .2　Calib ration data 液位/mmN q c (数小球法)Nq c (热电偶法)校正系数5800.780.63 1.2387200.7060.57 1.238 所用热电偶温差法的装置如图4所示.实验时,在液面上方瞬间加入约400m L 温度为(95±5)°C 的热水,当热流体流经两平行于搅26华　北　工　学　院　学　报2002年第1期拌轴热电偶探针时,热电偶探针先后感应温度的变化,同时记录两热电偶探针的响应信号,把温度信号通过PCLD 转换为电动势信号再通过PCL 放大器放大输入给A /D 板,并输入计算机,最后由计算机完成数据的记录和存储,绘制出电压变化与时间(ΔU -t )图.由两探头突变点的先后可读出流体经过两探头的时间差(数据采集曲线如图5所示).两探头间的距离已知,可计算出流体流过两探头的平均流动速度.沿径向移动探头的位置,可测量出导流筒内沿半径方向流体的速度分布(假设导流筒内的速度分布呈轴对称),依据速度分布曲线积分计算出循环流量.实验选用E 型热电偶.为增加信号的变化幅度和抗干扰能力,实验中采用了几支由热电偶串联组成的热电偶堆.2　实验结果与分析2.1　叶轮雷诺数对循环流量准数的影响用桨②在槽直径为0.8m ,导流筒直径为0.285m ,液位高度为0.72m ,在装有列管式换热器的条件下,测试了不同叶轮雷诺数对循环流量准数的影响.在本实验条件内,最小叶轮雷诺数Re =9.4×106,远远大于1000,流体处于完全湍流区,如图6所示.在实验研究的范围内,循环流量准数Nq c 相对于叶轮雷诺数Re 变化不大.这说明在装有列管的导流筒—搅拌槽体系,在完全湍流区内叶轮雷诺数对循环流量准数基本无影响.这与永田进治[4]等人在不带导流筒的搅拌槽内得到的结论:“在完全湍流区,叶轮雷诺数对循环流量准数无影响或影响不大”是一致的.图5　数据采集曲线Fig .5　Typical sig nal of th edata 图6　雷诺数对循环流量准数的影响Fig .6　Influence of Renolds number on circulation number2.2　导流筒直径的影响在实际的化工生产中,搅拌槽中导流筒的直径一般宜取槽直径的20%～40%[2],作者研究的导流筒的直径也选取在该范围之内.在槽径d =0.5m ,d 1/d 分别为0.36,0.34,0.31,当叶轮直径与导流筒直径之比一定时,对几何相似的单层桨研究了D /d 对流量准数N q c 的影响如图7所示.在无导流筒的搅拌槽体系中,流量准数与D /d 的关系[6]为:N q c ∝(D /d )2.5.在实验范围内,由图7可见,D /d 对循环流量准数的影响很小.这是因为在导流筒—搅拌槽体系中D /d 1恒定,就相当于在无导流筒的搅拌槽内D /d 恒定.因此,根据几何相似的原则,循环流量准数不变.当D /d 1不恒定时,有待于进一步试验研究.2.3　导流筒下端离底距离对循环流量的影响作者在直径为0.5m 的搅拌槽内,对d 1/d 为0.36的导流筒在静液位高度为461m m 的情况下,通过将导流筒上提研究了导流筒下端距槽底的离底距离分别为52m m ,72m m ,92m m 对循环流量的影响.由图8可见,在实验研究的离底距离范围内,对于同一导流筒直径、同一液位高度的情况下,随着离底距离的增加循环流量也增加.对数据进行指数回归可得出,导流筒离底距离与循环流量的关系为:Q ∝ΔC 0.37.Cliff [5]等的研究表明,导流筒位置是影响装置性能的重要因素.在ΔC =0时,由于循环路径堵塞,导致循环流量为0;在ΔC 逐渐增大时,即导流筒下端距离槽底距离越大时,导流筒出口转弯处局部27(总第81期)带导流筒搅拌槽中循环流量的实验研究(肖建军等)阻力变小,与轴流泵类似,这将导致装置泵性能大大提高,使得在相同的功率消耗下,循环流量相应地增加;当导流筒离底距离达到一定的高度时,循环流量将保持不变.在该实验范围内,由于实验点相对较少,且恰好处于上升趋势内,故而随着导流筒的离底距离增大,循环流量也增大.这与程大壮[1]所得的结论是一致的.图7　导流筒直径对流量准数的影响Fig .7　Influence of diam eter of d raft -tube on circulation number 图8　导流筒下端离底距离对循环流量准数的影响Fig .8　Influ ence of clearance between draft -tu be and the bo ttom of tank on circulation number2.4　静液位高度对循环流量的影响作者分别对桨①,桨②与桨③的组合在580mm ,720mm ,800m m 3个液位的条件下进行了实验测试,得出了静液位高度对循环流量的影响,如图9所示.由图9可见,在本文研究的范围内,①+③与②+③的循环流量和液位高度的关系分别为Nq \-c ∝(H /d )-0.1和Nq c ∝(H /d )-0.18.可见,随着液位的升高,循环流量略有减小.但在工业应用中,液位对循环流量准数的影响可以忽略.这说明该结果与文献[1]的研究结果一致.2.5　列管式换热器对循环流量的影响为了研究列管数目对循环流量的影响,作者对①+③组合在相同转速,只改变列管数目即改变导流筒外壁与槽壁间列管换热器的流通面积的情况下进行了测量,测得的循环流量的变化如图10所示.图9　静液位高度对循环流量准数的影响Fig .9　Influence of l iquid level on circulation number 图10　列管开孔率对循环流量准数的影响Fig .10　Influence of circulating area on circulation num ber 从图10可以看出,在搅拌槽内加列管式换热器增加了流体的流动阻力,在转速相同的条件下,随着流通截面积的减小,循环流量明显降低,当开孔率(S i /S c )接近0时,循环流量准数应为0;当导流筒与槽壁间没有设置列管式换热器,即开孔率为1时,循环流量远远大于有列管式换热器时的流量.由于工业中常用的开孔率在0.08～0.2之间,因此作者由实验数据可回归出,在此区间循环流量与流通截面积的关系为:Q ∝S i 0.46,这主要是由于叶轮对流体所做的功大部分用于流体流动阻力的消耗上,由此导致循环流量大大降低.28华　北　工　学　院　学　报2002年第1期2.6　桨型对循环流量的影响Oldshue [2]指出,带导流筒的搅拌槽具有与轴流泵类似的特性,因此在带导流筒的搅拌槽中,为了获得较大的循环流量应选用速度分布相对平坦的叶轮型式.为了验证桨②在导流筒中应用比桨①更具优越性,作者实验研究了两种桨型沿径向的轴向速度分布,结果表明:桨②的速度分布相对于桨①其分布平坦,且在相同的功耗下,其速度值大于桨①的速度值.所以在相同的功耗下,桨②比桨①具有更大的循环流量.为了研究桨型对循环流量的影响规律,作者分别对如表3所示的3种组合进行了研究.即在相同输入功率、无列管换热器的情况下对①与①+③进行实验测试和比较;相同输入功率,有列管换热器时,①与②的比较;以及在相同输入功率,有列管换热器时,①+③与②+③分别进行了对比.为便于比较,作者均以3组中各组中流量较小的为1,进而比较Q /Q min ,3种比较的结果见表 3.表3　不同桨型Q /Q min 的比较Tab .3　Q /Q min of the different type of impeller 桨型对比①与①+③①与②①+③与②+③桨　型①①+③①②①+③②+③流通面积/m 20.7850.7850.07230.07230.07230.0723Q /Q min 1.0 1.167 1.0 1.231 1.0 1.191 由表3可以看出,在相同的输入功率,无列管换热器的情况下,①+③双层桨组合的循环流量比①的单层桨的循环流量高16.7%.可见,目前工业用桨,双层桨的组合优于单层桨的混合效果.在相同的输入功率,有列管换热器的情况下,新开发的CBY 桨与原工业桨相比,循环流量提高.对于单层桨,CBY 桨的循环流量比原工业用桨提高了23.1%;对于双层桨,②+③的循环流量比①+③的流量提高了19.1%.这主要是由于CBY 桨的轴流效果比现在工业用的简易轴流桨好.参考文献:[1]　程大壮.对带导流筒内循环流量的研究[D ].北京:北京化工大学,1985.6～11.[2]　O ldshue 编著;王瑛琛译.流体混合技术[M ].北京:化学工业出版社,1991,302～316.[3]　徐世艾,冯连芳,顾雪萍等.搅拌釜中自浮颗粒三相体系的混合时间[J].高校化学工程学报,2000,(4):328～333.[4]　永田进治编著;马继禹译.混合原理与应用[M ].北京:化学工业出版社,1984.123～127.[5]　Cliff M H ,Edw ards M E ,Onieri I .M ix ing cha racteristics of a sti rred reacto r w ith an axial flo w im pelle r [J ].Proc .Co nf .O n Fliud M ixing ,1981,(64):1～11.[6]　丁绪淮,周理.液体搅拌[M ].北京:化学工业出版社,1983.25～33.Experimental Study on Circulating Fluxin a Stirred Tank with Draft-tube XIAO J ia n-jun,BAO Yu-y un,HU AN G Xiong -bin,S HI Li-tian(Chemica l Enginee ring Co lleg e,Beijing Univ ersity o f Chemica l T echnolog y ,Beijing 100029,China)Abstract :Aim To find out the facto rs w hich affect the circula ting flux in an agita ted ta nkwith draft-tube,and optimize the type of impeller.Methods The effects of impeller types,the Renolds number of impeller ,diameter of draft -tube ,clearance betw een draft -tube andthe bo ttom of tank,liquid heigh t,the tube numbers and the circulatio n area on the circula-tion flux w ere sy stem atically inv estiga ted by therm o-tracing system in a flat bottomed cylin-drical v essel of 0.5m and 0.8m in diam eter,equipped with a draft-tube and modeling heatex chang e tubes .Results and Conclusion A new ty pe im peller w hich ca n im prov e the circu-la tion flux in agitating ta nk is ex ploited.The effects o f the different structure parameters onthe circulatio n number are show n.Key words :draft -tube ;circulatio n flux ;impeller 29(总第81期)带导流筒搅拌槽中循环流量的实验研究(肖建军等)。

涡轮搅拌桨反应器混合过程的数值计算

流动形式所影响；合时间的长短与监测点位置有关；搅拌桨的桨叶附近进行监测所得到的混合时间较混在短，液面附近进行监测所得的混舍时间较长。在实际生产和试验中，注意时监测点位置的选取在应
维普资讯
动设备
Ｐｒ化ｅｍｉａｌＥｑｕｉ０ｎｔ７）２・石ｏ—工备术２６Ｔｅｃｈｎｏｌ７油Ｃｈ设ｃ技，０２４・ｇｙ，（ｏｅｔｐｍｅ
涡轮搅拌桨反应器混合过程的数值计算
朱向哲，吕柏林
（宁石油化工大学机械工程学院，宁抚顺１３０）辽辽１０１
关键词：涡轮搅拌桨；合时间；算流体力学（Ｆ混计ＣＤ）
中图分类号：９６文献标识码：文章编号：０６８０（０６０ —０７０ＴＥ６Ｂｌ０ —８５２０）４０２ —３
搅拌混合广泛应用于石油、工、金、纸化冶造等行业中。搅拌槽内物料混合的均匀程度及混合速度是影响产品质量和设备作业效率的重要因
拌平底槽内壁，有４块挡板，板宽度为槽径的装挡
图２计算流体力学模型
１１。因为示踪剂加人后，拌槽内的流场和浓／０搅度场均是非对称的，以选取整个槽体作为计算所
域；内介质为踪槽采１

搅拌槽内流体力学特性的数值模拟研究_魏文礼

湍流模型数值求解气液两相流时均方程，使用了半隐式 SIMPLE （ Semi － Implicit Method for Pressure － Linked Equations）算法求解速度与压力耦合方程组，旨在研究搅拌槽在搅拌过程中流体流动的力学特性，分析比较了不同水深处的水流沿半径方向的径向速度、切向速度及轴向速度的规律，经过研究和分析发现模拟的速度值与实验值吻合为搅拌槽的设计和运行提供了参考。良好，关键词：搅拌槽；半隐式算法；数值模拟；径向速度；切向速度；轴向速度中图分类号： O351 文献标识码： A 文章编号： 1672-643X（ 2016 ） 02-0148-04
。
ρ （ ρ u i ） + = 0 （ 1） t x i 式中： ρ 为流体密度； t 为时间； u i 为沿 i（ i 为笛氏坐 y 或 z）方向的速度分量； x i 为沿 i 方向的空间标 x、坐标分量。
x i ）的函数，引入 VOF 后，ρ、 μ 是 F w （ t，其表示式为： ρ = F w ρw + （ 1 － F w ） ρa （ 7）
［9 ］［8 ］
雷诺时均方程：（ ρ u i ）（ ρ u i u j ） p + =－ + t x j x i u i u j －（ ρ u 'i u 'j ） + ρg i μ + x j x j x j x i
[ (
)]
（ 2）（ 3）
－ ρ u 'i 等：搅拌槽内流体力学特性的数值模拟研究
149
桨的应力分布情况。结果表明：与常规斜叶式搅拌桨相比，改进后的三斜叶－三辅助 L 桨搅拌结构更有利于提高多相流平均速度，优化混合物均匀程度，［7 ］改善槽底或槽壁的搅拌死角。而姜昊罡等则采用 CFD 软件对六直叶圆盘涡轮桨搅拌槽内的气、液、固三相流动状态进行了数值模拟，具体从桨叶安装高度进行细致的数值分析，得出能够获得槽内良好固液悬浮性能下的最优化结构，并和标准搅拌槽进行了对比。刘玉玲等分别利用气液两相大涡模型和标准 k － ε 紊流模型，结合多参考系法进行了模拟计算，比较两种模型表明：叶片旋转区域紊流的各向异性随着转速的增加而明显加强；基于各向同性假设的标准 k － ε 紊流模型不能描述流体流速的而大涡模拟能够捕捉叶片附近区域流场波动变化，的分布规律；在通气率一定的情况下，转轮转速的大小对下叶轮附近区域的含气率影响较小，而对上叶轮附近区域含气率的影响较大。杨锋苓等

搅拌槽内流体的流动与混合

北京化工大学学生实验报告院（部）：化学与化学工程姓名：覃成鹏学号： 200911240专业：化学工程与工艺班级：化工0908 同组人员：朱尚乾刘欢张德胜陈杨课程名称：专业实验实验名称：搅拌槽内流体的流动与混合实验日期： 2012.11.9 批阅日期：1. 教学目的与要求:流体混合是搅拌操作的目的之一。

除此之外，固体在液体中的悬浮，气体在液体中的分散等过程，都可以通过搅拌来达到.本试验的重点是搅拌槽中流体的混合过程.实验目的有两点：(1) 观察搅拌槽内流体的流动特性，了解搅拌器型式、挡板对流型的影响.(2) 测定搅拌转速、输入功率、叶轮型式、挡板条件、物料量(液位)变化对混合时间的影响.通过上述试验，了解影响流体混合的主要因素及基本规律.2. 基本原理：流体在搅拌槽内的流动与混合特征，是由搅拌槽的结构，搅拌器的型式、搅拌叶轮提供给流体的功率等因素决定的。

搅拌叶轮产生的流动的基本形式有两种：轴向流和径向流。

径向流叶轮将流体从水平或径向排出至槽壁；轴向流叶轮使流体产生平行于叶轮轴的流动。

在无挡板的情况下，流体的流动通常呈现出以搅拌轴为中心的圆周运动。

这种流动现象叫打漩。

打漩的存在对混合特性有显著影响。

搅拌槽内的混合特性一般用混合时间的长短及输入功率的大小来描述.混合时间一般定义为使进料在全槽范围内分布均匀所需的时间.输入功率定义为叶轮提供给流体的实际功率.3. 实验装置:本实验装置共有两套，实验流程如图1所示:如流程图中所示:电机(4)的转速由调频器(1)来控制，通过皮带传动，驱动搅拌叶轮转动。

4.实验方法:(1)转速的测定搅拌转速由转速计来测定。

(2)搅拌功串计算搅拌功率P:P=N pρN3V5式中，N p—功率准数，ρ—液体密度（kg/m3）. N-搅拌转速（1/s），D—搅拌桨直径[m]，不同搅拌桨的相关数据见表1.图1搅拌实验装置流程图1——调频器2——电压表3——电流表4——电机5——皮带轮6——轴承座7——搅拌轴8——搅拌槽9——叶轮10——挡板11——转速计表1 不同搅拌桨的相关数据(3)混合时间的测定混合时间的测定采用酸碱中和法.通过流体中指示剂的颜色变化来确定流体的混合时间.在流体中加浪百里香酚蓝作为指示剂。

涡轮桨搅拌槽内流动特性的大涡模拟

ｕｉｇｌｇｄｙｉｕａｏ（Ｅ）ｈｅｓｂｒｃｌ（ｏｓｓａｅｅｄｓｌｉｎＬＳ．Ｔｒｅｕｇｉｓａｎｒｍｔｄｅｓ）ｍｏｅｓｈｓｎａｄａｄｄａｉｄｌ，ｔｅｔｄｎｙｍｃａｒｎｌａ
析了大涡模拟中桨叶端部附近湍流动能估计偏差的原因，发现主要是由于对轴向湍流均方根速度的预测偏差造成的。
大涡模拟方法为搅拌槽内非稳态、周期性的湍流流动和湍流特性的研究提供了强有力的工具。
关键词：计算流体力学（Ｆ）ＣＤ；大涡模拟（Ｅ）ＬＳ；流动特性；搅拌槽；涡轮桨
ＡｂｔａｔＴｈｙｒｙｍｉｈｒｃｅｉｔｃｎａｂ妇１ｄＲｕｈｏｍｐｌｒｓｉｅｔｎＳｉｖｓｉａｄｂｓｒｃ：ｅｈｄｏｄｎａｃｃａａｔｒｓｉｓｉａ［ｓｔｎｉｅｌｔｒｄａｋＷａｎｅｔｇｔｙｅｅｒｅ
中图分类号：Ｔ１：Ｔ２．Ｑ０８Ｑ０７２文献标识码：Ａ
ＬａｇｒｅＥｄｄｍｕｌｔｏｏｏＦｉｌｎａＲｕｓｔｎＩｐｅｌｒＳｉｒｄｎｋｙＳｉａｉｎｆＦｌｗｅｄｉｈｏｍｌｅｔｒｅＴａ
Ｃｒｄｃｅｔａｓｎｏｆｌｅｓｒｅｎ．ｅｏｉｄｔｒｕｅｔｉｅｉｎｒｂｍｎｄｂｉｅｅｔｎａｐｅｉｔｎｉｔｗｅｄｉｔｔｒｄｔｋＶｌｃｔａｂｌｎｎｔｅｅｇｏｔｅｖｄｆｒｎｈｔｒｅｆｌｉｎｈｉａｙｎｕｋｃｙｒ

通气式中心龙卷流搅拌槽内气-液两相流的混合特性

ＺＩｉｎＨｉｉＱＮＰｉＦＮＧＲｎ —ｏｇＭＡＴｎＨＡａ，ＡＯＨｕ— ，ＩｅＥｏｇｒｎ，ｅｇＴｄ，
（ｃｏｌｆｈｍｉｌｎｉｅｒｇＮｏｔｗｅｔｎｖｒｔＸ ’ ｎ７０６ｈｎ）ＳｈｏＣｅｃｇｎｅｎ，ｒｏａＥｉｈｓＵｉｅｓｙｉａ１０９Ｃｉａｉ，
ｃｍｕａｏａｕｄｄｎｍｃｍｔｏ［．ｈｎｓｏｒａｆｏｐｔｔｎｌｉｙａｉｅｄＪＣｉｅｅＪｕｎｌｉｌｆｈ］ｏ
ＣｅｉａＥｇｎｅｉｇ２０，１（：８ —９．ｈｍｃｌｎｉｅｒ．０８６５）６６６２ｎ【］Ｎｅｚｅｋ，ｕｃｗｃ．ａａｓｅｎｏｅ４ｉｄｉｓａＡＫｎｅｉｚＣＨｅｔｒｎｆｒａｄｐｗｒｌｔ
【】ＪＰＴｒ ’Ｄ．．ｌｔｈｔＴＬｓｙ，ｔ１Ｔａｓｅｔ７．．ｏｒ，ＦＦｅｃｅ，．ａｕｅｅａ．ｒｎｉｎｅ
Ｈｙｒｄｎｍｉｓａｄｆｅｕｆｃａｔｒｆｎｕｄｒａｆｄｄｏｙａｃｎｒｅｓｒａｅｃｐｕｅｏｎｅｆｅａｂｌ
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化
工
技
术
与
开
发
第４１卷
旋转下，液体在桨叶的上部形成很明显的２个漩涡；上流动，回流到桨叶附近区域。液体在搅拌轴附近
同样在导流板附近的区域内，液体向上流动，与桨叶附近的流体混合，桨叶下部区域形成一定的涡流。在产生径向流，成２很明显的漩涡。形个（双通气管的搅拌槽比单通管的搅拌效果好，４）

组合桨搅拌槽内部流场及混合时间数值模拟

排灌机械工程学报Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering [2019年1月Jan . 2019|■第37卷第1期||Vol .37 No.1doi # 10.3969/j .issn .1674-8530.17.0160组合桨搅拌槽内部流场及混合时间模拟* #亮，李(燕山大学机械工程学院，河北秦皇岛066004)董敏摘要：合形式的在应用的，采用流体力学分析方式，将：带撹拌桨和六斜叶圆盘涡轮撹拌桨在撹拌槽内部流场进行研究，采用多重参考系（MRF)方法建模型， Navier -Stokes方程和标准瑞流模型部流体产生的流场进行数，分析在180,240,300 r /min的速下产生的流场数据，并在入，过合时间的测定. $ 液相在出现了典型的旋涡流型，设定，分析示踪剂在的浓度变化曲线，得出混合时间为9.6 s，并对比得出240 r/min转速的效果和混合时间以及撹拌功业生产具有的结论，通过工业放大的试验形式验证了模型的正确性，为流体湍流的和工程应用提供了理论依据.关键词# 及叶组合桨；计算流体力学；多重参考系；数值模拟；示踪剂中图分类号：S 277.9文献标志码：A文章编号# 1674-8530(2019)01-0043-06董敏,夏晨亮，李想.组合桨搅拌槽内部流场及混合时间数值模拟[J ].排灌机械工程学报,2019,37( 1 ):43-48.DONG Min, XIA Chenli^mg, LI Xiang. Numerical simulation of internal flow field and mixing time in stirred tank witli combined paddles % J& .Journal of drainage and irrij^ation machinery engineering(JDIME) , 2019,37(1) ： 43-48.(in Chinese)Numerical simulation of internal flow field and mixing timein stirred tank with combined paddlesDONGMin * % XIA Chenliang % LI Xiang(School of Mechanical Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao,Hebei 066004, China)Abstract : Since combined stir/ng paddles have been used in many industrial fields , fields in a stirred t ank generated by double helical ribbon stir/ng blades and six pitched blades diskturbine impeiers at 180,240,300 r/min rotating speeds were studied by using C FD analysis . The Na -vier-Stokes equations in multiple reference frame ( MRF ) and standard turbulence model were used in nume/cal simulations . T racers were put into in the tank to measure the mixing time in mixing processes . The results show that a typical v ortex swirling flow appears in the stirred tank in lquid in the region between two paddles . The mixing time is determined to be 9.6 s based on analysis of tra cer concentration curves at monito/ng points . Stir/ng effect and mixing time and stir/ng power at 240 r / min rotating speed have an absolute advantage for industrial application . An industrial scale expe/ment has proven the correctness of the model mentioned above . The study in the paper can provide收稿日8 : 2017-07-09;修回日8: 2017-08-31;网络出版时间：2019-01-03网络出版地址：/kcms/detail/32.1814.TH.20190103.1020.016.html 基金项目：基目（51174175)第一作者简介：董敏（1973—)，女，，（通信作者，dogmin@xn)，主要从事机械设计及理论，流场分析，机械振动与故障诊断 .第二作者简介：夏晨亮（1991—)，男，河北唐山人，硕士研究生（815052940@)，主要从事流体机械分析研究.44排灌机械工程学报第37卷tical basis for design and engineering application of stirred tank witli non-Newtonian fluid xing layers.K e y words#combined paddle&CFD&MRF&numerical simulation&tracer随着石油化工工业、生物工程、的不断，针对搅拌搅拌器的选，适合的搅拌器对于工业生生的推动作用，在完成相应搅拌过程中，要出现滞留死区，加速反分融合，增反间的面积，缩反应时间和提升生率.在此领域，国内多和学者在试验领域和数值模拟形式了：.等[1]过对叶涡轮和六斜叶涡轮搅拌器的流场分布情况， 3 不同形式的桨型，并过数值分析获取速度场对比分析，获取了在特定截面上的速和速度分布曲线.LARSSON等[6]用流体动力学（CFD)对反应器(RBR)了建模.研究了 R B R中的流动模式，并X Q其内多孔的流动了量化.模拟表明挡板越深反应速率越快研 [3]以CFD-PB M双向耦合对离心栗内的液相流场了定常和非定常数值模拟，了不同流量、不同体积分数等流动的离心栗内盐析晶体尺寸分布情况与变化规律.MISHRA等[:]用标准湍流模型和滑动（SM)分别建立C F D模型，研究用于悬浮叶轮的性能，利用验证的模型，分布图，分析了搅拌速度、颗粒、径、和板的使用等各要参数对混合器搅拌效率的影响.到目前为止，针对搅拌槽内部的流场分析中，在搅拌桨选多数在（斜）叶涡轮组合桨型[5_6]，采用和六斜叶涡轮桨实现组合形式的有报道卜8]，对高的：不多，在化工等领域的生产过程的各个环节，常常到流体混合状态[>]，保流动处于流状态下的流体转动效率是的重点，文用力，对和六斜叶涡轮组合桨型数值模拟，弥补搅拌行业桨型单一的不足，丰富搅拌的桨型选择.1控制方程针对流场分析具有很强大的能力.在常数为定值的环境下，对于计算流场的方程组，可用程描述.1)连续方程为dp d(pfj*)( )(b0，(1) &t P s p,:#，；，=为相对的速度分量.2) 动量程为P i P ,1p!+p p+&&P)p Pp dxpxi(2)3) 动能程为p#i d n&、）.=pp p pi.\& +J pp.=r_#，(3)式中为^方向的速度分量（.1，2,3);/1为沿 ^方向的质量力&P为压力&P为流体 &&为流体的动力黏度系数&V为湍动能生成率&&为涡黏性数.模型中的有关常数# %= 0.09，+ = 1.0, +# -1.3，％2= 1.92.:) 组分程为)[s J J dz[s)J式中:F为组分s的体积，pcs即该组分的质量&C为组分的数; < 为内部单位时间内单位体积通过化学反生的组分s的质量，生率.5)非牛顿流体本构方程为.=&2,(5)式中为切应力&&s为表观黏度，&s=8y"_1;8为黏度系数&2为剪切速率;*为流动系数.在工业生产的过程中，很多的环节都需要考虑流体在搅拌的流动情况，对的甘油混合液体，可用式（5)幂律方程述.构方程与基本的控程共同对数值模型程的约束和封闭，来完成对模型的数 .组合式搅拌器在的过程中，基于数值模拟中的三维雷均N-S方程模型来完成对方程组的收敛.标准模型在2搅拌槽及搅拌桨结构和尺寸通过C FD 计算软件对圆柱形平底搅拌槽内单第1期董敏，等组合桨搅拌槽内部流场及混合时间数值模拟相水实现流场的数值模拟 [1°]D斜叶涡轮桨桨为例，搅拌槽结构 1，槽体直径1=280$$，高9=350 $$，叶轮圆径= 180 mm，厚 / = 8 mm，叶轮圆盘直径+ =680 mm，六斜叶叶片规格为60 mmX40 mmX4 mm，双螺带搅拌桨和六斜叶涡轮搅拌桨间距-i =110 mm，v = 115 mm，径 +6 =660 mm，组合桨距槽体下底面D= 75 mm，斜桨叶角为斜45°，在叶轮四周均分6片.挡板尺寸为槽体直径1的1/10.____________280____________"0202201组合桨搅拌槽结构示意Fig.1Schem atic of stirred tank w itli com bined paddles 对高流体的流场数值模拟的[很大，为了简化提升速度，用甘油和水代高流体，分析组合桨型的流场分布.3搅拌槽网格划分及计算步骤3.1网格划分搅拌桨模型在SOdworks三建完成后，保建立的三维模型，导 AnsysS模型的前，分用非结构化形式，搅拌桨区域采用为密集的四面体，槽内其区域采用尺寸稍大的六面体网格.3.2在流场分析中，需要定动静区域，因此文中搅拌槽划分为动区域和静区域，桨叶区域为动区域，槽内区域为静止区域，6个区域交界之间采用M RF模型， 6 ，搅拌槽动区域桨型单元数分别为183 566和136 986,槽内静区域单元数为135 695.图6组合桨搅拌槽内部网格划分示意图Fig. 6 Schem atic of m esh in stirred tank w ith com bined paddles3.3 参数对模型流动的选，将模拟计算的工作用甘油与水的混合物，％= 1 680 kg/ m3,黏度为0.034 Pa •s，流动形式雷诺数计算公式为Re=pvd6/(6Q*"，(6"式中为叶轮转速;+为叶轮直径.文中选取搅拌转速为；b 640 r/min，过出雷诺数Re b 7.688X103.因此流体处于湍流状态.4计算结果分析4.1流动特性与主体的混合动力主要是通过槽内部桨叶的转动，首要对搅拌槽内部的流动情况分析，现取转速为640 r/min流场情况研究.‘Fluenti流体分析，截取搅拌槽1=0截面处的铅垂面分析速度场， 3 .从3a中速量可以看出，桨叶端部生倾斜于水向一定的射流，带动 i 的流体流向四周，呈现的，与槽壁相 <后，分成分流，分流向上，分流向下，化之后形成径向流，流轴，形成对称于搅拌轴的双涡环流.下层涡轮桨叶和桨叶的运动相似，桨叶端部的运动形式更加的，成了双涡回流挡人图3b中可看出，最速度出现在桨叶的叶部，转轴和槽底易形成死区.250mm 的综合速度分布曲线，综合速度曲线显示在1=0 的速度几乎为零，在桨叶的速度达到了最，由于桨叶的作用，导致在桨叶的最数于桨叶的速，造成此种现的原因为桨叠加的效果，与前的分析相同.(a )速度矢量图（b )速度云图图3 * = 240 r/min 时1= 0截面速度场Fig .3 Velocity field in 1=0 section at * = 240 r/m in 4.2水平速度场4为转速* = 240r/min 时，上层桨为双螺带搅拌桨、为涡轮斜叶搅拌桨分别在P = 130mm 处和P = -130 mm 水平面处的速，从另一个流场特性的分析， 4a ，可。

涡轮桨搅拌槽内湍流特性的V3V实验及大涡模拟

ＣＩＥＳＣＪｏｕｒｎａｌ，２０１７，６８（１１）：４０６９ — ４０７８
化工学报２０１７年第６８卷第１１期ｆ Ⅵ 删．ｈｇｘｂ．ｃｏｍ．ｃｎ
一文～论一
ＤＯｈ１０．１１９４９￣．ｉｓｓｎ．０４３８－１１５７．２０１７０５９４
Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，Ｓｕｚｈｏｕ２１５６００，Ｊｉａｎｇｓｕ，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃｔｈｒｅｅ－ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ（ｖ３Ｖ、ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓａｎｄｈｅｔｌａｒｇｅｅｄｄｙｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ（ＬＥＳ）
摘要：分别用体三维速度测量技术（ｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃｔｈｒｅｅ．ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ，Ｖ３Ｖ）和大涡模拟（１ａｒｇｅｅｄｄｙｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ＬＥＳ）方法对涡轮桨搅拌槽内流场进行研究，发现在完全湍流状态下，涡轮桨搅拌
关键词：ｖ３ｖ；ＰＩＶ；大涡模拟；尾涡；涡轮桨
中图分类号：ＴＱ０２２文献标志码：Ａ文章编号：０４３８一ｌ１５７（２０１７）１１ —４０６９ —１０

搅拌槽内流动与混合过程的实验研究及数值模拟

搅拌槽内流动与混合过程的实验研究及数值模拟一、搅拌槽内流动与混合过程的实验研究搅拌槽是化工生产中常见的设备之一，其内部流动与混合过程对产品质量和生产效率有着重要影响。

在实际生产中，对搅拌槽内流动与混合过程进行深入研究，能够有效改善生产工艺，提高产品质量。

基于此，进行搅拌槽内流动与混合过程的实验研究至关重要。

在实验研究方面，可以采用多种手段来探究搅拌槽内流动与混合过程，如流场测量、混合效果评价等。

流场测量可以通过使用PIV（Particle Image Velocimetry）等技术，来获得搅拌槽内流动的速度场分布，进而分析流体在搅拌槽内的运动规律。

混合效果评价则可以通过添加示踪剂，观察示踪剂在不同搅拌条件下的分布情况，从而评价搅拌槽的混合效果。

通过这些实验手段，可以全面了解搅拌槽内流动与混合过程的特性，为生产提供可靠的数据支持。

二、搅拌槽内流动与混合过程的数值模拟除了实验研究，数值模拟也是研究搅拌槽内流动与混合过程的重要手段之一。

借助数值模拟，可以对搅拌槽内流动与混合过程进行全面、深入的分析。

数值模拟可以基于CFD（Computational Fluid Dynamics）软件，建立搅拌槽的几何模型，设定边界条件和流体性质，进行流场的数值模拟。

通过数值模拟，可以获得搅拌槽内流动的速度场、压力场等重要参数，进而分析搅拌槽内流动的特性。

还可以借助数值模拟，对不同搅拌条件下的混合效果进行评估，进而优化搅拌操作参数，提高混合效果。

三、个人观点和理解总结回顾：通过实验研究和数值模拟，我们可以全面地了解搅拌槽内流动与混合过程，为生产提供可靠的数据支持。

在未来的研究中，可以进一步深入探讨不同搅拌条件下的流动与混合规律，优化搅拌槽的设计和操作参数，实现更好的混合效果。

结语：通过本文对搅拌槽内流动与混合过程的实验研究及数值模拟的探讨，相信读者对该主题有了更深入的理解。

在今后的实际工作和研究中，希望能够更加注重实验和数值模拟相结合，不断完善搅拌槽内流动与混合过程的研究，为搅拌槽的优化和工艺改进提供有力支持。

搅拌槽内流动与混合过程的实验研究及数值模拟

搅拌槽内流动与混合过程的实验研究及数值模拟标题：搅拌槽内流动与混合过程的实验研究及数值模拟：理解、探索和优化一、搅拌槽内流动与混合过程的背景和意义搅拌槽是用于工业生产和实验研究中的常见设备，广泛应用于化工、生物工程、制药等领域。

搅拌槽内的流动与混合过程直接影响物料的均质性和反应效果，因此对搅拌槽内流动与混合过程的研究具有重要的理论和实践意义。

二、实验研究方法与结果分析1. 实验设备和方法在研究搅拌槽内流动与混合过程时，首先需要根据实验要求选择合适的搅拌槽类型和尺寸。

通常使用搅拌叶片来实现搅拌，可以采用旋转速度、叶片形状和数量等参数进行调节。

为了观察流动和混合效果，可以借助物料染色、粒子示踪等方法。

2. 实验结果与讨论根据不同的实验条件和参数设置，可以得到不同的实验结果。

在观察搅拌槽内流动与混合过程时，主要关注以下几个方面：流动模式（层流或湍流）、涡旋结构、物料分布均匀性等。

通过实验结果的分析，可以得到搅拌槽内流动与混合过程的特征和规律，为后续数值模拟提供参考。

三、数值模拟方法与结果验证1. 数值模拟方法数值模拟是研究搅拌槽内流动与混合过程的重要手段，可以通过计算流体力学（CFD）方法来模拟流场，进而分析流动特性和混合效果。

数值模拟需要建立合适的数学模型和边界条件，选择合适的网格划分和求解算法。

还需要通过实验数据对数值模拟结果进行验证。

2. 数值模拟结果与实验验证通过数值模拟可以获取搅拌槽内流场、浓度分布等重要参数，通过与实验数据进行对比和验证，可以评估数值模拟的准确性和可靠性。

在模拟结果与实验验证的基础上，可以进一步深入分析搅拌槽内流动与混合过程的机理和影响因素，为工程实践提供指导。

四、个人观点和理解在对搅拌槽内流动与混合过程的研究中，我对以下几点有一些个人观点和理解：1. 流动模式与混合效果的关系：流动模式对混合效果有着直接的影响，层流和湍流之间的转变会导致混合程度的变化。

在工程设计中，需要根据实际需求选择合适的搅拌方式和参数，以达到最佳的混合效果。

双层涡轮桨搅拌反应器内混合时间的大涡模拟

双层涡轮桨搅拌反应器内混合时间的大涡模拟施力田;高正明;闵健【摘要】采用计算流体力学(CFD)方法对直径为0.476m双层涡轮桨搅拌反应器内的流动及混合进行了数值模拟,并实验测试了混合过程.利用大涡模拟(LES)及Smagorinsky-Lilly亚格子模型求解湍流流动与示踪剂传递过程,桨叶区域采用滑移网格技术.研究结果表明,大涡模拟得到的示踪剂响应曲线和混合时间与实验结果吻合良好,其预测精度明显优于基于雷诺平均(Reynolds-averaged Navier-Stokes,RANS)的标准k-ε模型的模拟结果.大涡模拟是研究搅拌反应器内非稳态及周期性湍流流动的有效方法.【期刊名称】《化工学报》【年(卷),期】2010(061)007【总页数】6页(P1747-1752)【关键词】大涡模拟;计算流体力学;搅拌反应器;混合时间;双层涡轮桨【作者】施力田;高正明;闵健【作者单位】北京化工大学化学工程学院,北京,100029;北京化工大学化学工程学院,北京,100029;中国大唐集团科技工程有限公司,北京,100097【正文语种】中文【中图分类】TQ027.1Abstract：Large eddy simulations(L ES)for mixing process in a stirred tank of 0.476 m diameter with dual Rushton turbines are reported.Thecomputational fluid dynamics(CFD)package FLUENT6.1 was used.The turbulent flow field and mixing time were calculated by using L ES with Smagorinsky-Lilly subgrid scale model.The impeller was modeled using the sliding mesh technique.L ES results show a better agreement with the mixing experiments than those with standardk-εmodel based on Reynolds-averaged Navier-Stokes(RANS)approach.The local curves of tracer response predicted by LES are also in good agreement with theexperimentaldata.The results confirm thatLES isa reliableapproach for investigations of the unsteady and quasi-periodic behavior of the turbulent flow in stirred tanks.Key words：large eddy simulations;computational fluid dynamics;stirred tank;mixing time;dual Rushton turbines机械搅拌反应器广泛应用于多种工业过程。

改进型INTER-MIG桨搅拌槽内流场的PIV实验研究

改进型INTER-MIG桨搅拌槽内流场的PIV实验研究薛亚运;周勇军;陶兰兰;付勤民;鲍苏洋【摘要】针对二维粒子图像测速技术(particle image velocimetry,PIV)的局限性,利用三维粒子成像测速技术(PIV)对改进型INTER-MIG桨搅拌槽流的轴向速度、径向速度、切向速度的分布进行研究,介绍了三维PIV系统的结构组成,再利用二维PIV对流场进行流线分析.结果表明:无挡板时,槽内的流体受到了较强的剪切作用,而轴向速度与径向速度相对较小,整体的混合效果较差;有挡板时,流体的轴向和径向速度明显提高,增加了流体湍动效应.挡板破坏了流体内部的有序流动,桨叶前端的涡流也明显减弱.【期刊名称】《轻工机械》【年(卷),期】2016(034)005【总页数】5页(P39-43)【关键词】搅拌器;粒子图像测速技术;搅拌流场;速度分布【作者】薛亚运;周勇军;陶兰兰;付勤民;鲍苏洋【作者单位】南京工业大学机械与动力学院,江苏南京211816;南京工业大学机械与动力学院,江苏南京211816;国家化工设备监督检测中心,江苏张家港215600;南京工业大学机械与动力学院,江苏南京211816;南京工业大学机械与动力学院,江苏南京211816【正文语种】中文【中图分类】TB126;TN911.73粒子图像测速技术(PIV)是自20世纪80年代发展起来的一种崭新的速度测量与显示技术[1]。

这是一种基于流场图像互相关分析的非接触式流场测量技术，目前PIV技术已经成功应用在搅拌技术领域，学者对此进行大量实验研究。

翟俊等[2]利用2D-PIV系统对螺旋桨搅拌的机械清淤参数进行了实验研究,表明加大螺旋转速能够有效增强搅拌冲刷的强度和效果。

刘心洪等[3]采用了时间解析粒子图像测速仪和常规二维粒子图像测速仪(2D-PIV)对搅拌槽中流场进行了测量，结果表明2种方法所得结果具有较好的一致性。

高娜等[4-5]通过PIV方法得出了2种组合桨的液相流场分布，对局部气含率分布的差别进行了解释。

组合桨搅拌槽内混合过程的实验研究及大涡模拟

第 38 卷第 6 期 2011 年
北京化工大学学报（自然科学版） Journal of Beijing University of Chemical Technology （ Natural Science）
Vol． 38 ，No． 6 2011
组合桨搅拌槽内混合过程的实验研究及大涡模拟
赵静蔡子琦高正明
L S = min （ κd， C S V1 / 3 ），子尺度混合长度， κ 为卡门常 d 为与壁面距离， C S 为 Smagorinsky 系数， V 为网数， Lilly 动力模式中，格单元体积，在 Smagorinsky系数 C S 由各处流动信息动态计算得到。由于 SmagorinskyLilly 动力亚格子模型（ DSLM ）比标准 SmagorinskyLilly 模式有较多改善［18］，本文选用 DSLM 模型进行大涡模拟。得到流场数值后，将其代入浓度输运方程 C ρC + ρu j + SC （ 4） Γ t x j l x j
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下操作。搅拌桨为三层组合桨，桨径 D 均为 0. 4 T，其中顶层桨和中层桨为宽叶翼形桨上提式操作（ WH U ），见图 1 （ b），底桨为半椭圆管盘式涡轮（ HEDT），见图 1 （ c ）。底桨离底距离 ΔC 为 0. 4 T，与中层桨间距 C1 为 0. 48 T，上两层桨间距 C2 为 0. 48 T，液位高度 H 为 1. 8 T。搅拌转速为 1. 5 r / s，计算得到雷诺数为 53826 ，桨叶叶端线速度 V tip 为 0. 895 m / s。加料点（ F ）位置选在液面附近，径向方向距壁面 50 mm 处。监测点共有 7 个，分别位于液面（ P1 ）、顶层桨高度（ P2 ）、上两层中间（ P3 ）、中层桨高度（ P4 ）、下两层桨中间（ P5 ）、底层桨高度（ P6 ）及槽底部（ P7 ），径向方向距壁面亦为 50 mm。加料点和监测点分别分布在槽子的两侧且位于相邻两块挡板的中间平面上。具体位置如图 1 （ a）所示。