基于PIV和CFD的攪拌槳設(shè)計(jì)和改進(jìn).pdf

1、對(duì)于攪拌反應(yīng)器的選型和設(shè)計(jì)主要依靠一些經(jīng)驗(yàn)手段，尚未形成完整的理論體系。計(jì)算流體力學(xué)(CFD)能夠模擬計(jì)算攪拌槽內(nèi)的三維流場(chǎng)，獲得流場(chǎng)隨攪拌葉輪和攪拌槽的構(gòu)型、尺寸和操作條件的變化，但是湍流模型或本構(gòu)方程的不準(zhǔn)確性以及計(jì)算結(jié)果對(duì)網(wǎng)格的依賴性，CFD模擬結(jié)果的可信度有待提高。粒子成像測(cè)速(PIV)測(cè)量技術(shù)可以準(zhǔn)確獲得攪拌槽中豐富的信息，如時(shí)均或瞬時(shí)速度、動(dòng)能耗散速率、剪切速率等，進(jìn)一步得到循環(huán)流量、平均剪切速率、攪拌功率、混合時(shí)間等宏觀信

2、息，但是PIV實(shí)驗(yàn)條件苛刻，要求流體透明，欲獲得全槽流動(dòng)信息，實(shí)驗(yàn)工作量大。
　　本論文基于PIV實(shí)驗(yàn)對(duì)CFD模擬結(jié)果的驗(yàn)證，采用CFD模擬方法獲得攪拌槽內(nèi)的速度場(chǎng)、剪切速率場(chǎng)和湍流動(dòng)能等微觀信息，以及攪拌功率、循環(huán)流量、混合過(guò)程等宏觀性能，對(duì)葉片形狀和內(nèi)部構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)和改進(jìn)，進(jìn)而開發(fā)高效節(jié)能軸流槳和寬粘度域攪拌槳。
　　(1)基于微觀流動(dòng)和宏觀性能的分析，揭示了軸流槳葉片幾何結(jié)構(gòu)與流動(dòng)特性的關(guān)系，為高效軸流槳的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提

3、供指導(dǎo)。通過(guò)速度和湍流動(dòng)能的PIV實(shí)驗(yàn)值和CFD模擬值的定量對(duì)比，發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)k-ε流模型能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)完全湍流條件下斜葉槳的流型結(jié)構(gòu)，對(duì)徑向與軸向速度預(yù)測(cè)較為準(zhǔn)確，但對(duì)槳葉附近湍流動(dòng)能預(yù)測(cè)偏低。從微觀角度考察葉片形狀對(duì)局部流動(dòng)的影響，結(jié)果表明，標(biāo)準(zhǔn)斜葉槳迎液面區(qū)動(dòng)能耗散速率遠(yuǎn)高于其它位置，將迎液面90°拐角裁剪成弧狀導(dǎo)邊形狀可以有效降低能量耗散速率，增加葉片背液面面積會(huì)提高軸向流量。
　　(2)基于SSTk-ω莫型和滑移網(wǎng)格方法相耦合

4、的CFD過(guò)渡流模型與PIV實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，揭示了中心菱形擋板對(duì)雙螺帶槳流動(dòng)特性的影響規(guī)律。在層流域，中心菱形擋板對(duì)雙螺帶槳的流型影響較小;在過(guò)渡流域，對(duì)于無(wú)擋板結(jié)構(gòu)，在螺帶附近出現(xiàn)圍繞槳葉的循環(huán)，同時(shí)在螺帶下部產(chǎn)生二次回流，內(nèi)置菱形擋板后槳葉下方的二次流消失，攪拌槽內(nèi)形成全局流動(dòng)。中心菱形擋板與普通貼壁擋板對(duì)流體流動(dòng)產(chǎn)生的作用一致，均可削弱切向流動(dòng)，強(qiáng)化徑向和軸向流動(dòng)。增加中心擋板擴(kuò)展了雙螺帶槳適用的流域范圍，在層流和過(guò)渡流域均能達(dá)到

5、較好的混合效率，因此合理地設(shè)計(jì)內(nèi)部構(gòu)件是攪拌過(guò)程改進(jìn)的一條有效途徑。
　　(3)設(shè)計(jì)和改進(jìn)了適用于較寬雷諾數(shù)范圍的斷螺帶槳，其混合效率高于雙螺帶槳。模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在層流域，斷螺帶槳的內(nèi)外葉片分別把流體向相反方向推動(dòng)，相鄰葉片之間的流動(dòng)能夠有效銜接，形成類似于雙螺帶槳的全局流動(dòng)。在過(guò)渡流域形成內(nèi)外雙循環(huán)流動(dòng)模式。相對(duì)于雙螺帶槳，斷螺帶槳內(nèi)側(cè)葉片能夠加強(qiáng)槽中心區(qū)域的剪切作用，使全槽剪切速率分布更加均勻。內(nèi)層葉片直徑對(duì)流動(dòng)特性影響