反應(yīng)釜外文翻譯--在攪拌釜中大渦模擬的混合時間

1、<p>　　在攪拌釜中大渦模擬的混合時間</p><p>　　化學(xué)工程學(xué)院,北京化工大學(xué),北京100029,中國</p><p>　　簡要：大渦模擬(LES)的混合過程在一個直徑0.476米的攪拌釜用3狹窄的葉片水翼CBY葉輪被報道。湍流流場的計算和混合時間使用KES SmagorinskyLilly次網(wǎng)格尺度模型。 葉輪旋轉(zhuǎn)是建模使用滑動網(wǎng)格技術(shù)。“電力需求和混合時間獲得從實驗

2、和LES之間進行了預(yù)測要比傳統(tǒng)的雷諾平均 n - s(RANS)方法要好。示蹤響應(yīng)預(yù)測的曲線由LES和實驗之間來預(yù)測的。結(jié)果表明,LES是一個可靠的工具來研究在攪拌罐里不穩(wěn)定周期行為的紊流。</p><p>　　關(guān)鍵詞：大渦模擬,次網(wǎng)格尺度模型、混合時間、水翼葉輪</p><p>　　1 介紹：機械攪拌罐廣泛應(yīng)用于許多工業(yè)過程。在攪拌釜中流結(jié)構(gòu)是高度三維并且復(fù)雜,涵蓋范圍廣泛的空間和時間尺

3、度。液體是通過坦克傳閱的作用下旋轉(zhuǎn)葉輪。這個漩渦葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的,保留其相干就大量距離到散裝液體,伴隨著高剪切率和強烈的湍流活動。因此,他們是必不可少的在流場的混合性能?；旌蠒r間,θm,是時候需要混合添加二級液體與容器的內(nèi)容有一定程度的均勻性,通常θ95為了達到95%以上最后的濃度。在任何情況下,混合時間的一個攪拌釜通常用于指示其有效性。知識的混合時是需要時間的優(yōu)化設(shè)計的攪拌罐。在過去的30年廣泛的實驗研究已報道混合時間。在過去的二十年里

4、,進展取得了在計算流體動力學(xué)(CFD)模擬混合過程擁有偉大的計算機技術(shù)的進步。Ranadeetal用數(shù)值仿真給詳細的流和散裝混合產(chǎn)生的向下流投球葉片渦輪在一個完全困惑的圓柱形容器。undenetal 和Schmalzriedt和羅伊斯形式-遲來的脈沖示蹤實驗解決了材料在三維流場平衡與拉什頓渦輪(DT6)他們建議的質(zhì)量結(jié)果是高度依賴于精確的流體動力學(xué)計算,特別是關(guān)于湍流建模。Jaworskietal報道,θ95計算大約兩到三次測量值在與雙

5、DT6攪拌罐,</p><p>　　LES,首先采用攪拌釜的集成判別算法,是被證明是一個不錯的方法,研究湍流流動不穩(wěn)定和準周期性的行為。隨后Revstedtetal指出lES會贊成見詳細的流場,無法取得所謂的雷諾平均方程和共同響應(yīng)模型,然后Revstedt和Fuchs模擬了槽攪拌通過兩個標準Scaba拉什頓葉輪或6 srgt葉輪。Derksenetal使用與Smagorinsky LES次網(wǎng)格模型中,Smagor

6、insky常數(shù)c = 0.12,以模擬困惑的攪拌釜驅(qū)動渦輪機拉什頓Re = 29000和Derksen也模擬單相流由一個搭葉片葉輪使用LES與標準Smagorinsky或結(jié)構(gòu)函數(shù)的次網(wǎng)格模型。作者所有的關(guān)注研究了三維速度和和湍動能在攪拌釜和證明LES是一個好工具的調(diào)查紊流在工業(yè)應(yīng)用的實際意義。在這部作品中,Smagorinsky-Lilly 和LES介紹了次網(wǎng)格模型首先在模擬混合濃度的過程中,通過監(jiān)測示蹤劑得到混合時間在槽攪拌,在3狹窄

7、葉片水翼CBY葉輪。LES和RANS之間作了比較。</p><p><b>　　2 物理和計算配置</b></p><p>　　攪拌釜的使用在這個工作是一個有機玻璃船0.476米直徑與平底和四個擋板。環(huán)境使用的自來水。一個3狹窄的葉片水翼CBY葉輪被使用。葉輪速度 n是150、180、260和300 r·分鐘1(對應(yīng) Re =ρND2 /ν= 9×

8、1.8×104 105)分別和流體流動和湍流動</p><p>　　。實驗儀器的細節(jié)都顯示在圖1</p><p>　　圖 1（一)的視圖的攪拌釜和(b)3狹窄葉片水翼CBY葉輪</p><p>　　(T=476mm; H/T=1.0; C/T=1/3; D/T=0.4; WB/T=0.1)</p><p><b>　　3

9、實驗</b></p><p>　　θ95測量電導(dǎo)率的變化在引進少量的示蹤劑(飽和氯化鉀溶液)。10毫升的示蹤劑被加入到自由表面的液體是-二層兩個擋板。探測器安裝在位置的底部附近的坦克的對面添加點。電導(dǎo)儀的輸出是通過收購獲得一個模擬濾波器和一個放大器和A / D轉(zhuǎn)換器,然后存儲為后續(xù)分析。這些測量重復(fù)在至少5次,實驗條件得到一般的混合時間。葉輪轉(zhuǎn)速和軸轉(zhuǎn)矩測量通過分別使用光學(xué)電子轉(zhuǎn)速表和轉(zhuǎn)矩傳感器。這個

10、詳細描述報告在其他紙上[12]但是唯一不同的是,目前的水槽有一個平底而不是壓制基地[13]在目前的工作模式被選擇。</p><p><b>　　4 數(shù)學(xué)方法</b></p><p><b>　　4.1流模型</b></p><p>　　主要的困難相關(guān)的模擬湍流在攪拌釜是廣泛的范圍的尺度:從規(guī)模小的體積的水槽的尾渦結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)

11、與葉輪葉片運動,和大污風(fēng)再循環(huán)物理幾何的限制水槽。所以質(zhì)量和精度的仿真在攪拌釜嚴重依賴于湍流模型。</p><p>　　一個非常準確的預(yù)測是可能的手段直接數(shù)值模擬(DNS)。在DNS中,流體運動到耗散尺度是解決和它因此僅適用于相對低雷諾數(shù)字流和不適用于工業(yè)相關(guān)應(yīng)用程序。</p><p>　　在雷諾平均Navier-Stokes (RANS)模型只代表運輸方程的意思流數(shù)量, 與所有的尺度的湍

12、流建模相比。這種方法允許解決方案的平均流量變量大大減少了計算工作量。如果平均流量是穩(wěn)定的控制方程沒有包含時間衍生品和一個穩(wěn)態(tài)解可以得到經(jīng)濟上的。計算的優(yōu)勢是看到即使在瞬態(tài)情況下,由于時間步將取決于全球不穩(wěn)定在平均流量而非由湍流。雷諾平均的方法通常是采用實用的工程的計算,并利用模型Spalart-Allmaras等k-ε,k-ω,RSM及其變體。標準的k-ε模型,k-εRNG模型[14]和各向異性代數(shù)雷諾應(yīng)力模型[15],是最簡單的模型和

13、可以預(yù)測完全湍流流場合理嗎同意實驗數(shù)據(jù)。所以與LES相比較，標準k-ε型,k-εRN模型[14]和各向異性代數(shù)雷諾應(yīng)力模型[15],是最簡單的模型和可以預(yù)測完全湍流流場合理性，同意實驗數(shù)據(jù)。所以與LES相比較，標準k-ε在目前的工作模式被選擇。</p><p>　　LES是一個介于DNS和RANS方法。 基本上大的渦流解析直接用LES,而小旋渦用建模。在LES,控制方程用于LES是得到過濾含n - s方程在傅里葉

14、(波數(shù))空間或配置(物理)空間。過濾過程有效地過濾掉的旋渦，濾波器的寬度或網(wǎng)格間距用于計算。由此產(chǎn)生的方程從而支配大漩渦的動力學(xué)。一個過濾變量被定義為</p><p>　　這里 ?是流體域和G是過濾器函數(shù)確定解決的規(guī)模的旋渦。</p><p>　　在 FLUENT中有限體積離散化它-自隱式地提供了過濾操作:</p><p>　　在V是一個計算單元的體積。這個濾波函數(shù)

15、,G(X,X ),然后這里暗示的</p><p>　　不可壓縮Navier-Stokes方程,過濾</p><p>　　其結(jié)果 </p><p><b>　　和</b></p><p><b>　　?</b></p><p>　　是次網(wǎng)格尺度應(yīng)力定

16、義為</p><p><b>　　?</b></p><p>　　應(yīng)力造成的次網(wǎng)格尺度從費爾-增長率操作未知,需要建模。</p><p>　　最基本的次網(wǎng)格尺度模型是Sma -gorinsky-Lilly模型,在Smagorinsky-Lilly模型,來模擬渦流粘度</p><p>　　這里L(fēng)s是次網(wǎng)格尺度的混合長度是應(yīng)

17、變率張量解析后的量表。Ls是計算</p><p>　　使用這里的K是卡門常數(shù),d是到最近的墻壁的距離,V是體積計算細胞,CS是Smagorinsky常數(shù)。 它被設(shè)置為0.1在實驗發(fā)現(xiàn)對各種流動產(chǎn)生最好的結(jié)果。</p><p><b>　　4.2混合網(wǎng)絡(luò)</b></p><p>　　對混合槽模擬執(zhí)行, 計算網(wǎng)格是由兩個部分:一個內(nèi)心旋轉(zhuǎn)圓柱體積封

18、閉渦輪,和一個外固定體積含其余的坦克。網(wǎng)戰(zhàn)略技術(shù)的采用是結(jié)合結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化</p><p>　　網(wǎng)格(17 - 19)。葉輪區(qū)域分為聯(lián)合-結(jié)構(gòu)化的四面體細胞和強化來獲得更多準確的描述葉輪。和其余的散裝的水槽相結(jié)合是處理多嵌段的方法,在六面體的細胞計算中被用來減少成本的計算。所以在RANS細胞的大小選擇內(nèi)部分4毫米和外部分8毫米。但考慮到葉片厚度和泰勒微尺度(7、8、20),所以這是選擇2毫米和4毫米LES。網(wǎng)格

19、節(jié)點的總數(shù)量是1044356的LES和373775在RANS,見圖2。</p><p><b>　　4.3葉輪描述</b></p><p>　　對混合槽模擬執(zhí)行,計算網(wǎng)格是由兩個部分:一個內(nèi)心旋轉(zhuǎn)圓柱體積封閉渦輪,和一個外固定體積含其余坦克。網(wǎng)格戰(zhàn)略技術(shù)的采用是結(jié)合結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格(17 - 19)。葉輪區(qū)域分為聯(lián)合-結(jié)構(gòu)化的四面體胞和強化來獲得更多準確的描述葉輪

20、。和其余的散裝的坦克,是處理多嵌段的方法,在六面體的細胞被用來少主要的困難在模擬攪拌坦克是準確的表示的葉輪作用。這個滑動網(wǎng)格(SM)和多個參考系(MRF)技術(shù)是兩個有效的方法處理與葉輪的影響,實現(xiàn)商業(yè)軟件如流利。磁流變液的方法,在該地區(qū)的葉輪和葉輪蒸汽被描述為旋轉(zhuǎn)參考架和固定架或網(wǎng)格是選擇流葉輪區(qū)域外。在SM科技-種新型pvc樹脂,它實際上是一個瞬態(tài)方法,兩個網(wǎng)格產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)的葉輪和一個固定式代表散裝罐。在相同條件下,滑動網(wǎng)格方法需要太

21、多更多的計算時間,數(shù)據(jù)是反式-在轉(zhuǎn)讓之間的接口兩個網(wǎng)格。使磁流變液提供了一個合理的模型時均流和SM可以計算不穩(wěn)定和瞬態(tài)流場。SM方法在這部作品中所使用的LES。</p><p>　　第一步是計算的連續(xù)性和ve -使用標準的k-εlocity方程模型,結(jié)果發(fā)表在其他地方在流場有點聚集,結(jié)果被用作一個ini -弧離子鍍條件萊斯仿真。仿真選擇了二隱式配方tem -細孔的離散化和中央差分2006年2月LES過程第一步是計

22、算的連續(xù)性和ve -使用標準的k-εlocity方程模型,結(jié)果發(fā)表在其他地方。在流場有點聚集,結(jié)果被用作一個ini -多弧離子鍍條件萊斯仿真。仿真選擇了二階隱式配方tem -細孔的離散化和中央差分方案空間。解決方案的連續(xù)性和速度方程直到流成為統(tǒng)計學(xué)通過監(jiān)測扭矩穩(wěn)定的葉輪。 和第二步是方程濃度的示蹤劑是解決在時間域得到混合時間。示蹤劑注入是假定的不影響流量。因此,分離時刻和示蹤劑平方程是推測減少計算工作量?；谖锢碜鴺宋恢玫氖聚檮┨砑?添

23、加示蹤劑在模擬是經(jīng)過了幾個細胞靠近它來確保質(zhì)量的示蹤劑在模擬</p><p>　　的相同的實驗。的濃度示蹤劑被初始化為1添加區(qū)域,在其余地區(qū)為0。和監(jiān)測點設(shè)置在10毫米以上的底部坦克和50毫米的墻的柜,同樣的</p><p>　　位置檢測器在實驗在兩個擋板。</p><p>　　LES至強處理器運行在雙嗎(奔騰Ⅳ)機器(戴爾)和1 gb的內(nèi)存,2 ghz的時鐘頻率和

24、LINUX操作系統(tǒng)。模擬一個攪拌器速度流場做了在六個處理器并行需要大約4周時間去至少20革命以確保速度場統(tǒng)計穩(wěn)定對濃度場耗時約3周。</p><p><b>　　5結(jié)果與討論</b></p><p>　　5.1流場和濃度分布的示蹤</p><p>　　速度和濃度場得到通過RANS和萊斯被吸引在圖3和4。在一個真正的攪拌釜,有大漩渦和產(chǎn)生的宏觀不

25、穩(wěn)定性,促進示蹤劑通過這個邊界物質(zhì)交換。標準的k-ε模型不能全解釋這一現(xiàn)象。但是LES可以捕捉細節(jié)渦旋甚至連小泰勒和柯爾莫哥洛夫微尺度由于篩孔尺寸足夠小的模擬。所以萊斯可以給更準確的結(jié)果[-瞬時流量比RANS?？梢钥吹綀D3和4、比較,得到從RANS,邊界的循環(huán)循環(huán)在萊斯斷了,不規(guī)則的,和很多大型和小型渦發(fā)生在大部分地區(qū)。之間的質(zhì)量交換漩渦,甚至在整個柜可以解決準確地?；旌线^程可以直接看到從輪廓的濃度。</p><p&

26、gt;　　(垂直在中間兩個擋板,N = 300 r·分鐘1)</p><p>　　5.2響應(yīng)曲線的示蹤劑r</p><p>　　歸一化曲線示蹤響應(yīng)實驗,LES和RANS圖5所示。從圖5可以看到之間的實驗和萊斯預(yù)測。響應(yīng)曲線的形狀的示蹤劑主要是依賴在攪拌釜中大漩渦。LES能夠捕捉到不同尺度的旋渦尤其是大漩渦,這導(dǎo)致良好的預(yù)測響應(yīng)曲線的示蹤劑。RANS方法只占的小旋渦和無法預(yù)測的合理

27、響應(yīng)曲線的示蹤劑,如圖5所示。</p><p>　　5.3混合時間的比較數(shù)值模擬實驗</p><p>　　扭矩,M,就要通過葉輪是根據(jù)CFD分析使用的方法,Jaworskietal。每單位體積的力量在PV仿真計算電力需求的對比實驗和數(shù)值模擬之間基于LES和圖6所示RANS。良好的協(xié)議可以看到實驗和LES之間或RANS,雖然LES提供略好預(yù)測。相對誤差為萊斯和電力需求RANS分別是6.18%

28、和9.30%。 之間的比較實驗和混合時間數(shù)值模擬基于RANS和LES是圖7所示。可以看到更好的協(xié)議在實驗和LES預(yù)測和比RANS預(yù)測。相對誤差的混合時間對于萊斯和RANS分別是9.26%和16.93%。正如上面提到的LES可以預(yù)測更精確的流體場和不同尺度的渦流,導(dǎo)致更好的實驗和LES預(yù)測。</p><p>　　Figure 6比較功率單位體積的仿真結(jié)果和實驗之間數(shù)</p><p>　　■e

29、xperimental; ── LES; ------ RANS</p><p><b>　　以下經(jīng)驗修正方程：</b></p><p>　　液體混合時間電磁攪拌釜中提出的Ruszkowski[25]和Grenvilleetal被用工作</p><p>　　系數(shù)k為實驗數(shù)據(jù),LES和ANS分別為5.1,4.8和4.4。</p>&

30、lt;p><b>　　結(jié)論：</b></p><p>　　大渦模擬流場和混合時間在一個直徑0.476米的攪拌釜與一個3窄葉片水翼CBY葉輪已經(jīng)執(zhí)行。不穩(wěn)定和準周期性的行為的湍流流動在攪拌釜是好被俘,這表明LES是一個精確的方法來模擬這種復(fù)雜的流動情況</p><p>　　示蹤響應(yīng)預(yù)測的曲線由萊斯是在良好的協(xié)議與實驗。RANS方法未能預(yù)測合理的響應(yīng)曲線。電力需求的

31、相誤差之間的實驗和數(shù)值模擬對萊斯和RANS分別是6.18%和9.30%。 相對錯誤的實驗和混合時間之間數(shù)值模擬對于LES和RANS分別為16.93%和9.26%。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p><b>　　1</b></p><p><b>　　1</b></p&

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