對數(shù)螺旋面攪拌葉輪設(shè)計及固液攪拌流動研究.pdf

1、隨著我國城市化和工業(yè)化的發(fā)展，城市污水排放量急劇增加，攪拌器作為主要的污水處理設(shè)備，其攪拌和推流效果對污水處理質(zhì)量有著重要影響，而攪拌葉輪設(shè)計中一直存在水力模型欠佳，攪拌效率不高，功率消耗過大等問題。隨著計算流體力學(CFD)、流場測量技術(shù)的迅猛發(fā)展，對新型攪拌葉輪的開發(fā)及其攪拌流動的分析成為當前國內(nèi)外攪拌設(shè)備領(lǐng)域研究的重點和熱點。 本文通過對攪拌葉輪設(shè)計現(xiàn)狀及攪拌流動特點的分析，提出新型對數(shù)螺旋面攪拌葉輪設(shè)計方案，并對其產(chǎn)

2、生的固液攪拌流場進行三維數(shù)值模擬及PIV測試，旨在較全面細致地了解該新型攪拌葉輪的結(jié)構(gòu)特點和性能特征，為高效攪拌葉輪的開發(fā)及優(yōu)化設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。本文的主要研究工作及創(chuàng)新性成果如下:
　　1.在全面系統(tǒng)分析國內(nèi)外攪拌葉輪設(shè)計和攪拌流動研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合固液兩相流、攪拌混合機理及固液懸浮等基本理論，對攪拌葉輪作用下的流動現(xiàn)象進行了較全面深入的分析，并針對攪拌流場三維粘性湍流流動的計算模型和方法進行了討論。
　　2.以固液兩相流

3、理論為指導，首次提出對數(shù)螺旋面攪拌葉輪設(shè)計方案。針對傳統(tǒng)攪拌葉輪在實際使用過程出現(xiàn)的功率消耗大，攪拌不均勻，易出現(xiàn)攪拌死角等問題，創(chuàng)新性地提出了對數(shù)螺旋面結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)能有效地降低流動損失，將軸向?qū)Я骱蛷较驍嚢鑳刹糠纸Y(jié)構(gòu)有機地結(jié)合，即使在沒有池壁反射下也能形成軸向和徑向流動，更容易獲得立體循環(huán)攪拌流量，效率更高，攪拌效果更好。借鑒離心式兩相流泵葉片型線，選用對數(shù)螺旋線為新型攪拌葉輪葉片的型線方程，并采用離心泵開式葉輪設(shè)計方法對其進行設(shè)計造

4、型。
　　3.以顆粒動力學理論和固液兩相雙流體模型基本控制方程為基礎(chǔ)，本文成功地在高濃度固液流動中引入擬平衡狀態(tài)下顆粒和流體之間新的相互作用力項，即附加力項，簡化了歐拉-歐拉雙流體模型。以該模型為基礎(chǔ)編寫自定義函數(shù)，采用FLUENT軟件，對相關(guān)文獻實驗結(jié)果進行模擬計算，兩者吻合較好，能滿足工程使用要求。據(jù)此表明，所建立的雙流體模型能正確反映在整個攪拌過程中固液兩相的流動特征;數(shù)值計算能準確地預(yù)測出攪拌系統(tǒng)內(nèi)的固液流動情況，顆粒的濃

5、度分布、懸浮效果，反映了實際的攪拌過程。
　　4.運用計算模型及FLUENT軟件，通過監(jiān)控在不同雷諾數(shù)條件下對數(shù)螺旋面攪拌葉輪的力矩，計算該攪拌葉輪的功率消耗，從而得到相應(yīng)的無量綱功率準數(shù)，成功繪制出對數(shù)螺旋面葉輪功率準數(shù)隨Re變化曲線。經(jīng)對比分析，在相同工作條件下對數(shù)螺旋面攪拌葉輪較傳統(tǒng)軸流式葉輪(MK四斜葉整體開啟渦輪)和徑流式葉輪（PY平直葉圓盤渦輪）具有更低的功率準數(shù)，即功率消耗更低，更節(jié)能。
　　5.首次針對對數(shù)螺

6、旋面攪拌葉輪在方形污水池中的固液攪拌流動進行數(shù)值模擬，并以傳統(tǒng)的MK和PY葉輪為比照，對比分析所形成攪拌流場的速度、濃度分布、固體顆粒懸浮效果、臨界攪拌轉(zhuǎn)速、功率消耗、混合時間等攪拌性能指標，結(jié)果表明:(1)池內(nèi)流體在對數(shù)螺旋面葉輪的作用下形成徑向射流，水流運動主要表現(xiàn)為沿著葉輪的徑向和切向運動，在導流部件的作用下，形成整個水體的軸向循環(huán)運動;(2)在各種轉(zhuǎn)速下，各攪拌葉輪下方的固體顆粒濃度大于上方的固體顆粒濃度;隨著轉(zhuǎn)速的增大，固體顆

7、粒在流場中接近均勻混合;(3)隨著攪拌轉(zhuǎn)速的增大，固相懸浮均勻度逐漸減小，混合時間逐步遞減，功率消耗逐漸增加，流場的混合效果不斷提高。以懸浮均勻度為依據(jù)，可推斷出各攪拌葉輪的臨界攪拌轉(zhuǎn)速;(4)在相同葉輪直徑及轉(zhuǎn)速的情況下，混合效果MK葉輪較差，對數(shù)螺旋面葉輪較好，PY葉輪最佳，但PY葉輪功率消耗最大，對數(shù)螺旋面葉輪則最節(jié)能。
　　6.首次進行多方案方形污水池攪拌流動PIV測試及固液懸浮實驗。實驗結(jié)果表明:對數(shù)螺旋面葉輪和MK葉輪