渦輪槳攪拌槽內(nèi)流動特性的實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬.pdf

1、渦輪槳攪拌槽廣泛應(yīng)用于化工、生物、食品和制藥等工業(yè)過程，其內(nèi)部的流動特性對工業(yè)設(shè)計(jì)及優(yōu)化具有重要影響。因此，本文從PIV測量和CFD數(shù)值模擬兩方面對多種槳葉及流型下攪拌槽的流動特性進(jìn)行深入研究，為其應(yīng)用基礎(chǔ)研究及優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)和參考。
　　 本文在直徑為0.476m的平底有機(jī)玻璃攪拌槽內(nèi)，保證液位高與槽直徑相等，利用相位解析的高分辨率PIV測試技術(shù)，對多種復(fù)雜流型下槳葉的尾渦結(jié)構(gòu)、平均速度、脈動速度和湍流動能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。其中

2、Rushton渦輪槳的各流型通過改變槳葉層數(shù)、直徑及離底距離來實(shí)現(xiàn)，而曲面渦輪槳?jiǎng)t采用標(biāo)準(zhǔn)雙循環(huán)流型。結(jié)果表明：槳葉后方的雙尾渦結(jié)構(gòu)在所有渦輪槳的任意流型下都會出現(xiàn)，但其發(fā)展歷程及運(yùn)動軌跡各不相同；相位平均實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，高湍流動能區(qū)主要集中在葉端射流區(qū)附近，而相位解析結(jié)果中，高湍流動能分布區(qū)位于兩反向旋轉(zhuǎn)尾渦的匯合區(qū)附近，且隨尾渦的運(yùn)動向槽內(nèi)其它區(qū)域傳遞；單循環(huán)流型下，幾何結(jié)構(gòu)完全相同時(shí)，雷諾數(shù)的變化對無因次化的速度和湍流動能幾乎沒有影響

3、，但幾何結(jié)構(gòu)相似時(shí)，局部區(qū)域的流動存在差異；流型分布與槳葉直徑及離底距離密切相關(guān)，降低離底距離可使流型從雙循環(huán)向單循環(huán)轉(zhuǎn)變，但此時(shí)增加槳葉直徑流型又會從單循環(huán)轉(zhuǎn)變?yōu)殡p循環(huán)；曲面形狀對渦輪槳的尾渦結(jié)構(gòu)和高湍流動能分布區(qū)影響顯著，葉片形狀趨于流線型時(shí)尾渦衰減較快，湍流動能也迅速降低。
　　 在FLUENT軟件的基礎(chǔ)上編寫了大渦模擬的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及處理程序，對單層Rushton渦輪槳攪拌槽的雙循環(huán)和單循環(huán)流型進(jìn)行大渦數(shù)值模擬，并與PIV實(shí)

4、驗(yàn)及k-ε模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，同時(shí)分析亞格子模式及網(wǎng)格模型對大渦模擬結(jié)果的影響。結(jié)果表明：大渦模擬方法能夠反映攪拌槽內(nèi)復(fù)雜的非穩(wěn)態(tài)特性；標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型對雙循環(huán)流型下平均速度的預(yù)測與實(shí)驗(yàn)基本吻合，湍流動能的計(jì)算值略偏低，但其得到的單循環(huán)流型的速度及湍流動能分布與實(shí)驗(yàn)明顯不符；大渦模擬方法預(yù)測的雙循環(huán)流型的湍流動能分布比k-ε模型準(zhǔn)確，對單循環(huán)流型的速度及湍流量的估計(jì)較k-ε模型有根本上的改善；不同亞格子模式之間沒有顯著的差別，網(wǎng)格較密的

5、區(qū)域DSL模式比SSL和DKE模式略好。
　　 利用大渦模擬方法研究了雙層Rushton渦輪槳攪拌槽內(nèi)的平行流、合并流和分散流等流型的特性，討論了邊界條件和數(shù)據(jù)處理方法對計(jì)算結(jié)果的影響，結(jié)果表明：大渦模擬在預(yù)測雙層槳復(fù)雜流動方面比k-ε模型有顯著改善；邊界條件需盡量與實(shí)際物理模型保持一致；湍流特性數(shù)據(jù)應(yīng)采用相位平均和相位解析方法處理，以避免槳葉旋轉(zhuǎn)運(yùn)動引入擬湍流成份。
　　 采用Realizablek-ε湍流模型，對多種

6、曲面渦輪槳的壓力系數(shù)及速度分布進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了葉片形狀對流動特性的影響，并針對半橢圓管渦輪槳提出改進(jìn)的方法。結(jié)果表明：Realizablek-ε模型對Rushton渦輪槳的功率準(zhǔn)數(shù)和槳葉表面壓力系數(shù)的預(yù)測與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合很好；半圓管渦輪(CD)葉片表面及后方的負(fù)壓區(qū)范圍較Rushton渦輪顯著降低；四種曲面渦輪槳之間，壓力系數(shù)的絕對值由低到高的順序依次為：拋物線形渦輪B(PT-B)、拋物線形渦輪A(PT-A)、半橢圓管渦輪(HEDT)