桨叶层数不同对搅拌槽内流动场的影响 本科毕业论文.docx
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桨叶层数不同对搅拌槽内流动场的影响本科毕业论文
分类号单位代码
密级学号
学生毕业设计
题目
桨叶层数不同
对搅拌槽内流动场的影响
作者
院（系）
专业
指导教师
答辩日期
年月日
榆林学院
毕业设计诚信责任书
本人郑重声明：
所呈交的毕业设计，是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。
毕业设计中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。
尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人毕业设计与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。
论文作者签名:
年月日
摘要
搅拌设备广泛应用于工业生产中，如石油、化工、制药、食品、采矿、冶金、废水处理等领域。
搅拌操作是工业反应过程中的重要环节，在促进槽内物料流动，使得搅拌槽内物料均匀分布的同时，能够增大传热和传质系数，加速反应的进行。
因此，研究搅拌槽的流动性能在工业生产中具有重要意义。
本文采用计算流体力学（CFD）对搅拌槽内的三维流动场进行了数值模拟，考察了六直叶圆盘桨（6DT）、六叶上斜叶桨（6PDTU）、六叶下斜叶桨（6PDTD）在桨叶层数不同时，搅拌槽内的流动场及搅拌功率。
结果表明：
相同类型的桨叶，在桨叶层数不同时，槽内的流场不同，双层桨时流体的速度分布比单层桨时更加均匀，功率消耗更大。
（1）6DT桨在单层时，在整个搅拌槽内形成四个对称的漩涡，功率消耗比较大；6DT+6DT桨由于上下桨间的干涉作用，两层桨之间漩涡不明显，功率消耗更大。
（2）6PDTU在单层时，其上扬作用使搅拌槽内形成四个大小不等的漩涡，功率消耗最小；6PDTU+6PDTU桨由于两层桨的相互作用，槽内流体混合均匀。
（3）6PDTD桨在单层时，由于其下压作用使槽内流体在搅拌槽内仍然形成四个漩涡，且下部漩涡较小，上部漩涡较大；6PDTD+6PDTD桨由于两层桨相互干涉，在整个搅拌槽出现六个循环流动。
研究结果对搅拌反应器的优化设计具有一定的参考价值。
关键词：
搅拌槽，桨叶层数，计算流体动力学（CFD），数值模拟
NumericalAnalysisoftheFlowFieldofStirredTankwithDifferentImpellerLayers
ABSTRACT
Mixingequipmentsarewidelyusedinindustrialproduction,suchaspetroleum,chemicalindustry,pharmaceuticalindustry,foodstuff,mining,metallurgy,waste-watertreatment,etc.Stirringoperationisanimportantpartoftheindustryreactionprocess,itcanpromotetheflowingofmaterialsandmakematerialsdistributingevenlyinthestirredtank.Atthesametime,itcanincreasethecoefficientofheatandmasstransferandacceleratethereaction.Therefore,ithasanimportantsignificanceinindustrialproductiontostudytheflowcharacteristicsofstirredtank.
Three-dimensionalflowfieldsinstirredtankhasbeensimulatednumericallybyutlizingComputationalFluidDynamics（CFD）,whentheimpellerlayersaredifferent,theflowcharacteristicsandthemixingpowerdemandof6DT,6PDTUand6PDTDisresearched.Theresultsindicatethat:
Withthesametypeofimpeller,theflowfieldcanbechangedduetothedifferentimpellerlayers.Theliquidwithdualimpellersismixedevenlythansingleimpelleranditcostsmaximumpowerdemand.
（1）Asforthe6DTwithsingleimpeller,foursymmetricalvortexesareformedinthestirredtankandthepowerdemandislarger.Whentheimpelleris6DT+6DT,becauseoftheinterferencefunction,thevortexesbetweentheupperandthelowerimpellerisnotobvious,itcostsmaximumpowerdemand.
（2）Asforthe6PDTUwithsingleimpeller,itsupwardfunctionresultsinfourvortexeswithdifferentsizeinthestirredtank;Whentheimpelleris6PDTU+6PDTU,becauseofthemutualinterferencefunctionbetweentheupperandthelowerimpeller,Theliquidismixedevenlyandthepowerdemandistheleastinthestirredtank.（3）Asforthe6PDTDwithsingleimpeller,itsdownwardfunctionalsoresultinfourvortexesinthestirredtank,andtherangeoftheuppervortexesissmaller,whiletherangeofthelowervortexesislarger;Whentheimpelleris6PDTD+6PDTD,therearesixvortexesinthestirredtankbecauseoftheinterferencefunctionbetweentheupperandthelowerimpeller.Theresultsareofimportancetothedesignandoptimizationofthestirredreactor.
Keywords:
Stirredtank,Impellerlayers,Computationalfluiddynamics（CFD）,Numericalsimulation
目录
1绪论1
1.1搅拌槽简介1
1.2搅拌槽内流动特性研究现状1
1.2.1宏观流动场1
1.2.2微观特性研究2
1.2.3搅拌槽内流动特性的发展2
2计算流体动力学4
2.1CFD技术原理介绍4
2.1.1CFD简介4
2.2CFD技术在搅拌槽中应用4
3研究目的、研究内容及研究方法7
3.1研究目的7
3.2研究的主要内容7
3.3研究方法8
3.3.1湍流模型8
3.3.2运动部件和静止部件之间相互作用的解决方法8
4搅拌槽内流场的数值模拟9
4.1建立几何模型9
4.2网格划分11
4.3数值求解步骤13
4.4数值模拟结果分析13
4.4.16DT桨时不同桨叶层数的数值模拟结果分析13
4.4.26PDTU桨时不同桨叶层数的数值模拟结果分析15
4.4.36PDTD桨时不同桨叶层数的数值模拟结果分析16
4.4.4搅拌功率P和功率准数Np的比较18
5总结与展望20
5.1总结20
5.2展望20
参考文献21
致谢22
1绪论
1.1搅拌槽简介
搅拌设备在石油、化工、制药、食品、采矿、冶金、废水处理等领域应用广泛。
在工业生产中，搅拌设备在许多场合是作为反应器来使用的，尤其是在三大合成材料（合成橡胶、合成纤维、合成塑料）的生产中，采用搅拌设备作为反应器的，约占反应器总数的85%以上，但更大量的搅拌设备是用于物料的混合、传热、传质以及制备乳液、悬浮液等[1]。
搅拌是通过桨叶的旋转向反应器内输入机械能，可以使两种或多种不同的物料互相分散，从而达到均匀混合；也可以加速传热和相间传质过程[2]。
其结构主要包括搅拌槽、搅拌器以及挡板等。
搅拌槽的作用主要是为物料反应提供合适的空间，其筒体基本上是圆筒。
搅拌器又称搅拌桨或搅拌叶轮，是搅拌反应器的关键部件，其功能是提供过程所需要的能量和适宜的流动状态。
在搅拌槽中设置挡板主要是为了消除流体的打旋现象，从而使搅拌槽中的流体流动更加均匀。
1.2搅拌槽内流动特性研究现状
在搅拌设备中，由于旋转桨叶和静止挡板的相互作用，使搅拌设备的流场具有三维和高度不稳定的随机湍流特点，难以从理论方面来预测搅拌设备的优劣，也无法对搅拌设备的优化设计提供指导。
因此对于搅拌槽的研究还处在半经验半理论阶段。
近年来，许多国内外学者从实验研究和数值模拟两方面对搅拌设备进行了广泛的研究。
在实验研究方面，早期的研究者由于测试手段的落后及差异，所得到的结果有较大的分歧。
随着激光多普勒测速的发展和完善，对搅拌槽内流动特性的研究逐渐深入，实验结果也逐渐趋于一致，但实验方法存在着过程复杂、周期长、生产成本高等缺陷。
而数值模拟方法可以详细获取搅拌设备内流体的流动状况，从更微观更本质的角度对搅拌设备进行研究，成为研究搅拌槽流动性能必不可少的工具。
1.2.1宏观流动场
在搅拌槽内流体进行着复杂的三维流动，可以将其分为径向流、轴向流和混合流，根据搅拌桨所产生的宏观流动场的形态，将其分为径向流搅拌桨、轴向流搅拌桨和混合流搅拌桨。
（1）对于径向流搅拌桨来说，流体在桨叶的作用下沿径向流动，到达槽壁后与槽壁碰撞，分成两部分流体分别在搅拌槽的底部和上部各产生一个循环区，如图1-1所示。
对于所有的径向流搅拌桨来说，圆盘是产生径向流的主要原因，典型的径向流搅拌桨是Rushton桨。
（2）对于轴向流搅拌桨来说，流体在桨叶的作用下沿轴向运动，到达槽底与槽底碰撞后，方向改变沿槽壁向上流动，流经整个槽体后，最终沿轴向下流回叶轮区，形成简单的单循环上下流动，如图1-2所示。
典型的轴向流搅拌桨如A310，CBY等。
图1-1径向流搅拌桨流型图图1-2轴向流搅拌桨流型图
1.2.2微观特性研究
微观特性研究主要是指用湍流强度、湍流尺度、耗散率等物理量来描述湍流脉动特性。
相比宏观流动场的研究，微观特性研究发展缓慢。
近年来，随着CFD研究的广泛开展，微观特性研究也逐渐开展起来。
1.2.3搅拌槽内流动特性的发展
从1982年Harvey[3]第一次将计算流体力学（CFD）引入到搅拌槽内二维流动场的预测开始，对搅拌槽内流动特性的数值模拟研究迅速发展起来。
随着工业技术的发展，对过程中流体混合过程、传热及传质的要求更高，传统的经验放大设计方法的可靠性受到了质疑。
因此，对搅拌反应设备的优化设计需要建立更加可靠的放大准则。
对搅拌槽内流动场特性的数值模拟研究，经历了从二维数值模拟到三维数值模拟，从单向流到多向流，边界条件设置从依靠实验数据的“黑箱”模型发展到动量源法，再到无需依靠实验数据的多重参考系法和滑移网格等技术。
近年来非结构化网格技术极大的促进了CFD的发展，数值模拟以其优势成为一种独立有效的研究工具。
2计算流体动力学
2.1CFD技术原理介绍
2.1.1CFD简介
计算流体力学CFD（ComputationalFluidDynamics，CFD）是近代流体力学、数值流体力学和计算机科学结合的产物，是一门具有强大生命力的边缘科学，可以看做是在质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程控制下对流体的数值模拟。
它以电子计算机为工具，应用各种离散化的计算方法，对流体力学的各种实际问题进行数值试验、计算机模拟和分析研究，以解决各种实际问题[4]。
它从基本物理定理出发，在很大程度上替代了耗资巨大的流体动力学实验设备，在科学研究和工程技术中产生巨大影响。
CFD是流体力学的一个分支，用于求解固定几何形状空间内流体的动量、热量和质量方程以及其他相关的方程，并通过计算机模拟获得某种流体在特定条件下的有关数据[5]。
CFD计算相对于实验研究，具有成本低、速度快、资料完备、可以模拟真实及理想条件等优点，从而使CFD成为研究各种流体现象、流动过程和结构设计的有力工具。
CFD以经典流体动力学和数值计算方法为基础，通过计算机数值模拟和图像显示，在时间和空间上定量描述流体流动，具有理论性和实践性双重特点。
利用CFD对搅拌槽进行数值模拟，可以使槽内现象可视化，人们可以直观的了解槽内的流动情况，消除存在的问题，对搅拌槽进行优化设计，为新型高效搅拌设备的研制开辟一个新途径。
2.2CFD技术在搅拌槽中应用
搅拌槽由于其内部流动的复杂性，搅拌混合尚未形成完善的理论体系，对搅拌槽等混合设备的放大设计，经验成分往往大于理论计算。
随着其广泛应用，经验放大设计方法的可靠性受到前所未有的挑战，对搅拌槽内部流场有必要进行更深入的研究。
近年来利用CFD方法研究搅拌槽内的流场发展很快，利用这种方法不仅可以节约大量的研究经费，而且还可以获得实验手段所不能得到的数据。
夏建业等[6]模拟比较了不同桨叶组合搅拌槽内的气液氧传递系数以及在有氧消耗情况下搅拌反应器中氧的浓度分布，发现采用上层为轴流式的三宽叶搅拌桨，底层为径流式的六弯叶圆盘透平桨的组合形式氧供应能力最强。
李良超等[7]采用在欧拉-欧拉双流体模型的基础上耦合气泡数密度（BND）函数模型，对双层组合桨气液搅拌槽内气泡尺寸和局部气含率进行了CFD模拟，得到了双层桨搅拌槽内气液两相流场、气泡尺寸和气含率分布规律。
高勇等[8]运用CFD方法，对中心龙卷流型搅拌槽内部流场进行数值模拟，分析比较了三种结构的导流板对槽内流体流动状况的影响，计算了搅拌功率准数并与已有研究成果进行了比较。
搅拌通常在搅拌槽内进行，通过搅拌桨的旋转把机械能转化为流体的动能，带动槽内流体流动来完成传热传质等过程。
如何准确地模拟旋转的搅拌桨与静止的挡板之间的相互运动是研究搅拌流场需要重点解决的问题。
过去近三十年来，为了解决这一问题，提出几种不同的模拟方法，这个过程就是CFD技术不断、发展完善的过程。
这些方法主要有：
桨叶边界条件法，动量源法，内外迭代法，多重参考系法，滑移网格法等[9]。
（1）桨叶边界条件法
桨叶边界条件法（impellerboundarycondition，IBC）又称“黑箱”模型法，是最早使用的一种搅拌数值模拟方法。
该方法是在计算时不考虑桨叶区域内流动情况，而是以实验数据的平均值作为边界条件在桨叶表面进行赋值，以此来计算出整个搅拌槽内的流动情况。
Middleton等[10]采用IBC法首次对含有连续-竞争反应的搅拌槽内的流场进行了三维模拟，获得了与实验比较吻合的结果。
IBC法是一种稳态算法，但是需要实验数据作为边界条件，摆脱不了对实验数据的依赖，模拟精度有限。
（2）动量源法
动量源法（momentumsourcemodel，MS）是尝试摆脱实验数据的束缚而提出的第一种搅拌数值模拟方法，同IBC方法一样，MS法不考虑搅拌桨的具体结构，把桨叶对流体的作用看做流体动量的产生源，采用切向方向的附加“源”代替六直叶涡轮桨的作用，其边界条件的确立也不需要实验数据。
Morud[11]等采用MS法对有挡板的Rushton桨搅拌槽内的气-液两相湍流流场进行了研究，模拟结果与实验值定性吻合。
MS法无法研究桨叶区域内流体的流动情况，只能对搅拌槽其他区域内的流场进行研究，因而不能反映搅拌槽内的真实流动情况。
（3）内外迭代法
内外迭代法（inner-outermethod，IO）是brucato[12]提出的一种无需依赖实验数据的搅拌数值模拟方法，它将计算域分为包含桨叶的内区和包含挡板的外区两部分。
内区内的计算是采用搅拌桨速度旋转的坐标系来得到整个内区内的流动场，同时也得到了内区边界上的速度、湍流动能和耗散率。
再以该边界上的值作为边界条件对外环进行计算，计算在静止坐标系下进行。
通过在两个区域之间交替迭代计算，获得一个收敛结果。
内外迭代法不需要实验数据，可以对搅拌槽的流动场进行整体模拟。
但是这种方法需要试差迭代，收敛速度较慢。
（4）多重参考系法
多重参考系法（multiplereferenceframe，MRF）是Luo等[13]对IO法进行了修正提出的，该方法将计算域划分为两个区域，桨叶所在的区域计算采用旋转坐标系，静止的挡板和其他区域计算使用静止参考系。
多重参考系法划分的两个区域部分是没有重叠的，也不需要内外迭代过程，内外区域之间速度匹配直接通过在交界面上的坐标系转换来实现，使得计算变得更加简单。
MRF是一种稳态算法，实现了对搅拌槽内整体流动场的模拟，而且不需要实验方法辅助，计算工作量小。
适用于桨叶和挡板之间相互作用较小的体系。
（5）滑移网格法
滑移网格法（slidingmesh，SM）也是一种非稳态算法，适用于非定常流动问题的求解。
该方法与MRF相比，对区域的划分是相同的，不同之处在于在两个区域的交界面处，滑移网格法有网格之间的相对滑移。
Micale等[14]利用SM法准确地模拟了双层Rushton桨搅拌槽内的流动类型。
综上所述，旋转区域和静止区域的处理方法各有优缺点，就目前的计算机条件而言，多重参考系法（MRF）是一种既可行又可靠的处理旋转域和静止域的方法。
3研究目的、研究内容及研究方法
3.1研究目的
由于搅拌槽的复杂性和多样性，在自动化选型和设计上，一直依靠经验知识人工完成，智能化水平不高，导致设计周期较长。
采用CFD方法对实验过程进行数值模拟，在一定程度上有效的克服了实验研究的不足，可以使槽内的实际现象可视化。
随着CFD预测技术的发展，利用数值模拟的方法获得搅拌槽内流场信息已成为现实。
通过对搅拌槽内三维流场的数值模拟，深入了解搅拌槽内流动特性，通过分析不同桨叶层数对搅拌槽内流动场的影响，分析比较搅拌功率与搅拌准数，得出较为合理的桨叶层数，为后续的工业实际应用和搅拌设备的优化设计提供一定的参考价值。
本文运用ANSYS-CFX对不同桨叶层数的搅拌槽流动场进行了数值模拟，研究了不同桨叶层数对流场的影响，对比分析了搅拌功率与搅拌准数，为提高搅拌槽效率以及优化搅拌设备的设计提供参考。
3.2研究的主要内容
（1）搅拌槽及其流动性能研究现状简介；
（2）介绍计算流体动力学（CFD）的原理；
（3）研究计算流体动力学（CFD）在搅拌槽中的应用；
（4）利用ANSYSWorkbench建立几何模型，并进行网格划分；
（5）利用CFD对搅拌槽内的三维流场进行数值模拟：
①单层桨时，研究六直叶圆盘桨（6DT）、六叶上斜叶桨（6PDTU）、六叶下斜叶桨（6PDTD）时搅拌槽内的流场特性；
②双层桨时，研究6DT+6DT、6PDTU+6PDTU、6PDTD+6PDTD三种组合下搅拌槽内流体的流动特性，对比分析桨叶层数不同时对搅拌槽流动场的影响；
③分析比较桨叶层数不同时的搅拌功率与搅拌准数。
3.3研究方法
3.3.1湍流模型
分析流体流动最常见的模型是湍流模型，它是基于连续性方程、N-S方程和标准k-ε模型来模拟搅拌槽内的湍流流动。
湍流模型可以更好的解决高应变率和流线弯曲程度较大的流体流动。
而在壁面处，需要使用标准壁面函数法来确定固壁附近流体的流动。
标准壁面函数法[14]的基本思想是：
只在湍流核心区使用RNGk-ε模型求解，对近壁区流体流动不进行求解，而是直接使用半经验公式将壁面处的物理量和湍流核心区内的求解变量联系起来，直接得到与壁面相邻控制体积的节点变量值。
3.3.2运动部件和静止部件之间相互作用的解决方法
运动部件和静止部件之间的相互作用采用多重参考系（MRF）法来处理，即将计算域分为内部旋转域和外部静止域两个区域，内部旋转域包括运动的桨叶和附近的流体，在旋转坐标系下求解连续方程和动量方程式；外部静止域包括静止的挡板和槽体，在静止坐标系下求解连续方程和动量方程式。
静止区域和旋转区域分别各自求解方程，在两个域的交界面通过插值来实现质量、动量和能量交换[16]。
在用此方法进行数值模拟时，将内部旋转区域内的流体设定为与搅拌桨相同转速进行旋转，将外部静止区域内的流体设定为静止的。
搅拌轴处于静止区域，相对于区域内流体是运动的；搅拌桨处于运动区域，转速和周围的流体相同，相对于区域内流体是静止的。
多重参考系法示意图如图3-1所示。
（a）内部区域（采用旋转坐标系）
（b）外部区域（采用静止坐标系）ES：
两个域的界面
图3-1多重参考系法示意图
4搅拌槽内流场的数值模拟
4.1建立几何模型
模拟对象为四周带有挡板的平底搅拌槽，其结构如图4-1所示，几何尺寸如表4-1所示。
由于流动的对称性，模拟时选用1/2搅拌槽作为计算域，搅拌槽模型及桨叶模型如图4-2所示。
用于模拟计算的工作介质为水，其密度为997kg/m3，模拟时搅拌转速为300r/min。
表4-1搅拌槽几何尺寸
名称
符号
数值（mm）
筒体直径
T
300
筒体高度
H
450
桨叶直径
D
100（=T/3）
转轴直径
D1
14
叶轮圆盘直径
D2
75
圆盘厚度
3
叶片长度
L
25
下层桨距槽底距离
L1
150
两层桨间距
L2
150
挡板数目
Nb
4个
挡板宽度
WB
25（=T/12）
图4-1双层桨搅拌槽结构示意图
（a）双层桨搅拌槽
（b）6DT桨（c）6PDTU桨
（d）6PDTD桨
图4-2双层桨搅拌槽及桨叶模型图
4.2网格划分
目前在复杂区域生成网格的方法总的来说可以分为两大类：
结构化网格和非结构化网格。
当计算区域的几何形状比较规则时采用结构化网格进行划分区域；当计算趋于复杂时，即使应用专门的网格技术也难以处理所求解的不规则区域，此时采用非结构化网格划分区域，使局部加密更加容易。
由于模拟所选搅拌桨的结构不规则，从计算量、网格生成难易程度、收敛
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