基于PIV和CFD的攪拌槳設(shè)計和改進.pdf

1、對于攪拌反應(yīng)器的選型和設(shè)計主要依靠一些經(jīng)驗手段，尚未形成完整的理論體系。計算流體力學(xué)(CFD)能夠模擬計算攪拌槽內(nèi)的三維流場，獲得流場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)方程的不準確性以及計算結(jié)果對網(wǎng)格的依賴性，CFD模擬結(jié)果的可信度有待提高。粒子成像測速(PIV)測量技術(shù)可以準確獲得攪拌槽中豐富的信息，如時均或瞬時速度、動能耗散速率、剪切速率等，進一步得到循環(huán)流量、平均剪切速率、攪拌功率、混合時間等宏觀信

2、息，但是PIV實驗條件苛刻，要求流體透明，欲獲得全槽流動信息，實驗工作量大。
　　本論文基于PIV實驗對CFD模擬結(jié)果的驗證，采用CFD模擬方法獲得攪拌槽內(nèi)的速度場、剪切速率場和湍流動能等微觀信息，以及攪拌功率、循環(huán)流量、混合過程等宏觀性能，對葉片形狀和內(nèi)部構(gòu)件進行設(shè)計和改進，進而開發(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)與流動特性的關(guān)系，為高效軸流槳的設(shè)計和改進提

3、供指導(dǎo)。通過速度和湍流動能的PIV實驗值和CFD模擬值的定量對比，發(fā)現(xiàn)標準k-ε流模型能夠準確預(yù)測完全湍流條件下斜葉槳的流型結(jié)構(gòu)，對徑向與軸向速度預(yù)測較為準確，但對槳葉附近湍流動能預(yù)測偏低。從微觀角度考察葉片形狀對局部流動的影響，結(jié)果表明，標準斜葉槳迎液面區(qū)動能耗散速率遠高于其它位置，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過渡流模型與PIV實驗相結(jié)合的方法，揭示了中心菱形擋板對雙螺帶槳流動特性的影響規(guī)律。在層流域，中心菱形擋板對雙螺帶槳的流型影響較小;在過渡流域，對于無擋板結(jié)構(gòu)，在螺帶附近出現(xiàn)圍繞槳葉的循環(huán)，同時在螺帶下部產(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。中心菱形擋板與普通貼壁擋板對流體流動產(chǎn)生的作用一致，均可削弱切向流動，強化徑向和軸向流動。增加中心擋板擴展了雙螺帶槳適用的流域范圍，在層流和過渡流域均能達到

5、較好的混合效率，因此合理地設(shè)計內(nèi)部構(gòu)件是攪拌過程改進的一條有效途徑。
　　(3)設(shè)計和改進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。模擬和實驗結(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，相鄰葉片之間的流動能夠有效銜接，形成類似于雙螺帶槳的全局流動。在過渡流域形成內(nèi)外雙循環(huán)流動模式。相對于雙螺帶槳，斷螺帶槳內(nèi)側(cè)葉片能夠加強槽中心區(qū)域的剪切作用，使全槽剪切速率分布更加均勻。內(nèi)層葉片直徑對流動特性影響