双桨搅拌槽关于混合的研究

双桨搅拌槽关于混合的研究

作者：R. Zadghaffaria, J.S. Moghaddasa,∗,J.Revstedtb 文章信息：

文章历史：发表于2009年1月29日

2009年2月7日起可在网上下载

关键字：搅拌槽 PIV CFD 搅拌时间能量 LES

摘要：

计算和实验方法已被用于研究带有两个六叶涡轮桨全包围搅拌槽的流场、功率和搅拌时间。搅拌槽中的流量包含在旋转的叶轮叶片和固定挡板之间的流量的相互作用。在计算流体力学中，滑移网格方法已经被用于流场的开发。发射脱离系统已经用于模拟湍流。对于两个系列的实验中进行的模拟结果的验证:1）速度测量的液相粒子图像测速（PIV）；2）在液相中使用的平面激光诱导荧光（PLIF）技术确定示踪剂的浓度测量。在每个系列中采用三个不同的叶轮转速：225，300和400转。搅拌功率的计算结果也根据输入的PIV结果。随着提高叶轮速率，搅拌时间相当大的减少，搅拌输入功率也被增大。满意的比较表明这CFD方法作为计算工具，用于设计的潜在用途搅拌反应器。

@2009爱思唯尔有限公司保留所有权利1、简介：

搅拌槽内被广泛用于化学，食品和加工工业中用于混合两种可混溶的流体。通常情况下，在位于中央的叶轮搅拌槽内，

与对每个刀片后面的旋涡，一个在上面，下面的磁盘之一，产生的旋转运动。附近的涡流中的流体高度剪切，导致在局部减少的一个属性，例如示踪剂浓度为。旋转运动的流体使一个复杂的循环水箱中的湍流，固定挡板的流交互，提高了搅拌。通过旋转的叶轮排出的流动，形成一个朝向罐壁射流。沿着壁垂直流动后，流体将朝向罐的轴线有一个再循环流动模式。

当混合罐内使用一个以上的叶轮时，流场的复杂性大大增加。实验调查对于更好理解复杂的流体力学搅拌设备做出来了显著的贡献。关于双桨搅拌槽产生流场的实验调查已经被Rutherford, Lee, Mahmoudi和 Yianneskis用激光多普勒测速仪证实过，且主要的精力放在后面的涡轮桨尾涡结构上。从容器底部之间的间距叶轮间隙的各个值也进行了研究。Bonvill- ani, Ferrari, Ducrós和Orejas通过实验断定了配有双涡轮浆搅拌器的搅拌槽的混合时间。在他们的实验中，利用PH反应技术来确定搅拌时间没有取得显著的效果。Chunmei,Jian, Xinhong和Zhengming用二维PIV方法用于测量速度，同时也研究了流场的模式和叶轮间隙的影响。

在两个桨叶轮，具有不同形状和尺寸的各种各样的叶轮，并具有不同的叶轮间隙，这样，在实践中使用的不同的应用程序所产生的流动的实验调查。因此，计算预测绕流的一个叶轮的任何形状，并且其与另一个叶轮的交互工具，它可以安装在同一轴上的混合技术将有巨大的应用程序。

对于双叶轮壳体,文献中比较少有关于混合的研究。Vrabel et al利用房室建模方法建立了充气和未充气搅拌槽的流场模型。这种模型经过测量的脉冲响应曲线和用荧光或热水示踪得到了验证。Jaworski, Bujalski, Otomo和 Nienow用CFD软件Fluent记录了双涡轮桨的仿真数据。软件预计的混合时间比实验得出数据多2到3倍。Deshpande 和Ranade采用改进的计算快照的方法预计了双叶轮产生的流场之间的相互作用。在每一种情况下，CFD的复杂性意味着，最终的结果依赖于建模选项和假设的数量。

在大多数的CFD模拟中的折流板，涡轮圆盘，和叶轮叶片被视为零厚度的壁。这种假设是不现实的，因为研究表明，叶轮叶片的厚度影响混合属性(Bujalski, Nienow, Chatwin,

& Cooke, 1987; Rutherford, Mahmoudi, Lee, & Yianneskis, 1996；Yapici, Karasozen, Schäfer, & Uludag, 2008)。他们的研究表明，随着叶片厚度的增加，功率会减小，然而搅拌时间会增加。

在这项工作中，搅拌槽反应器的实际尺寸得到了模拟，挡板和叶轮刀片的厚度是不可忽略的。流场进行了数值模拟使用LES用的公司的亚格子模型，在两个标准的六叶涡轮桨搅拌槽中模拟流数和搅拌时间。用滑移网格（SM）的方法弄清了叶轮的旋转。本文提出了一种在不同的叶轮转速之间的轴向和径向的速度分量的径向分布的实验和模拟化的结果比较。

被提拔的仿真结果验证了一系列的实验。模拟速度和搅拌下输入功率与PIV结果和评价PLIF技术的混合时间数据进行比较。结果表明这种方法的实用性，为今后的工作制定一个通用的混频器的设计工具。

2、实验：

这项工作中所用的标准的几何形状有两个桨叶轮的搅拌罐的设计和尺寸示于图1。搅拌罐由一个内径T=0.30m的平底玻

璃罐组成。四块挡板对称放置在罐的周围，其宽度为罐直径的十分之一（l=0.1T）。桨搅拌器有两个叶轮，这是标准设计的直径（D）的三分之一的罐直径（D / T= 1/3），位于与从罐底部的大约一半的间隙等于罐直径（C1=0.55 T）。上叶片和下叶片之间的距离ΔC=0.7T。涡轮机由电动机驱动，搅拌速度有一个校准的数字示波器来测量。为了减少在罐的圆筒形表面的光折射率的影响，它被放置在一个正方形的玻璃容器中。搅拌槽内填充用自来水作为主要的连续相的流体，它的表面高于上部叶轮C2= 0.55 T。方形容器也充满了水，以减少表面光线的折射。本研究中所用的搅拌槽的几何形状上的详细信息，请参见Guillard，Trägårdh和Fuchs（1999）和Moghaddas（2004）双腔2毫焦耳×25毫焦耳的Nd：YAG激光（连续）脉冲激光是用来产生在波长为532nm的光束。激光束通过一个平凹透镜产生一个二维垂直的光片（2毫米厚）。进行两个系列的实验：1）速度测量PIV和2）确定示踪剂的浓度的测量使用（PLIF）。每一系列采用三个不同的叶轮旋转速度：225，300和400rpm。这些叶轮转速对应的叶轮雷诺数分别为37,500，50,000和66,000。CCD相机拍下在每一种情况下的500个瞬间影像以确定的平均流速和混合特性。CCD摄像机的摄像速率为每秒3帧。这些500图像的平均用以PLIF测量的校准。由Moghaddas等人描述的校准程序。（2002年）

在速度测量的情况下，水箱中的水被接种与罗丹明-B的荧