基于計(jì)算流體力學(xué)和多目標(biāo)遺傳算法的氣液攪拌反應(yīng)器模擬與優(yōu)化.pdf

1、氣液攪拌反應(yīng)器因具有操作靈活性強(qiáng)、傳質(zhì)效果好、混合效率高等優(yōu)點(diǎn)在過程工業(yè)中廣泛應(yīng)用。反應(yīng)器結(jié)構(gòu)是影響內(nèi)部物料流動(dòng)、混合、傳質(zhì)及反應(yīng)的重要因素，對(duì)氣液攪拌反應(yīng)器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化意義重大。早期對(duì)氣液攪拌釜的優(yōu)化研究依賴于實(shí)驗(yàn)手段，測量方法受限，需反復(fù)試驗(yàn)，太過耗時(shí)且成本較高。隨著計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)技術(shù)的發(fā)展，能快速而相對(duì)準(zhǔn)確地獲取反應(yīng)器內(nèi)部詳細(xì)的流場信息。然而基于CFD的優(yōu)化過程通常

2、只考慮單參數(shù)變化，涉及多個(gè)參數(shù)則需要通過大量的模擬才能篩選出較優(yōu)結(jié)果，加上多相體系固有的復(fù)雜性，導(dǎo)致計(jì)算量巨大且只能得到局部最優(yōu)解。
　　多目標(biāo)遺傳算法(multi-objective evolutionary algorithm，MOEA)具有全局優(yōu)化、并行搜索、快速收斂等特點(diǎn)。本文針對(duì)上述問題，提出了將CFD技術(shù)與優(yōu)化算法相結(jié)合的解決方法。以雙層槳?dú)庖簲嚢璺磻?yīng)器為例進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，驗(yàn)證了該方法的可行性和有效性。主要工作與研究結(jié)果

3、如下:
　　(1)基于實(shí)驗(yàn)與CFD分析，建立了一種適用于氣液攪拌反應(yīng)器設(shè)計(jì)的多目標(biāo)優(yōu)化方法。借助雙電導(dǎo)電極探針和扭矩測量等實(shí)驗(yàn)技術(shù)驗(yàn)證CFD模型，并在MATLAB平臺(tái)上整合CFD分析模塊和優(yōu)化算法模塊，引入?yún)?shù)化建模和自動(dòng)網(wǎng)格生成技術(shù)，利用CFD模擬獲取反應(yīng)器內(nèi)部流場信息，以此指導(dǎo)快速非支配排序遺傳算法(non-dominated sorting genetic algorithm，NSGA-Ⅱ)在龐大的求解空間中高效并行尋優(yōu)。通

4、過創(chuàng)建模塊接口，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)優(yōu)化過程，可以顯著地減少計(jì)算量，獲取全局最優(yōu)解。
　　(2)在轉(zhuǎn)速300 rpm，表觀氣速0.02 m/s的空氣-水體系中，采用均一氣泡尺寸假設(shè)，將多目標(biāo)優(yōu)化方法應(yīng)用于雙層槳?dú)庖簲嚢韪膬?yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能和良好的氣體分散。首先建立以槳葉結(jié)構(gòu)參數(shù)為優(yōu)化變量，以最大氣含率和最小攪拌功率為目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化命題，利用CFD和NSGA-Ⅱ算法耦合求解，得到了PCBDT-PTD（下層斜凹葉圓盤渦輪槳-上層下壓斜葉槳）優(yōu)

5、化槳組合。隨后探討了槳組合類型和設(shè)計(jì)變量對(duì)目標(biāo)函數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)上層槳為上翻斜葉槳(PTU)時(shí)氣體分布效果較差，為PTD時(shí)氣體分散性能最好，隨著槳葉傾斜角度增大，氣體分布更均勻，攪拌功率先增加，待傾角大于90°后逐漸減小;下層槳為凹葉槳時(shí)載氣性能良好，凹葉片的長徑比增大，載氣性能提高，而葉片切角越大，攪拌功率越低。最后考察了優(yōu)化結(jié)果的可靠性，測得優(yōu)化槳組合的氣含率較高且沿軸向均勻分布，明顯改善了兩槳之間的氣體分散狀況。優(yōu)化后能耗大幅降低，

6、較標(biāo)準(zhǔn)的RT-RT（雙層六直葉圓盤渦輪槳）組合至少降低了25％。
　　(3)針對(duì)反應(yīng)器內(nèi)部氣泡大小分布不均的問題，引入了關(guān)聯(lián)湍流耗散率與氣泡直徑的氣泡尺寸模型，在模型驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，對(duì)雙層槳?dú)庖簲嚢璺磻?yīng)器進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化。首先以槳葉結(jié)構(gòu)參數(shù)為優(yōu)化變量，以最大氣液比相界面積和最小攪拌功率為目標(biāo)建立優(yōu)化命題，得到了PCBDT-PTU（斜凹葉圓盤渦輪槳-上翻斜葉槳）和PCBDT-PTD（斜凹葉圓盤渦輪槳-下壓斜葉槳）兩種優(yōu)化槳組合。然后利用

7、不同槳型揭示了反應(yīng)器內(nèi)部氣泡尺寸分布規(guī)律，闡明了槳組合類型對(duì)目標(biāo)函數(shù)的影響。研究發(fā)現(xiàn)，葉輪區(qū)的氣泡尺寸沿著排出流方向先變小后逐漸變大，在循環(huán)區(qū)和液面附近氣泡相對(duì)較大。此外，PCBDT-PTU優(yōu)化槳組合的局部相界面積峰值最高，而PCBDT-PTD優(yōu)化槳組合的相界面積分布最均勻，均能在低功耗下實(shí)現(xiàn)高效傳質(zhì)。最后，驗(yàn)證了優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)測得PCBDT-PTU優(yōu)化槳組合的氧傳質(zhì)系數(shù)接近RT-RT標(biāo)準(zhǔn)槳組合的兩倍，能耗較RT-RT降低了29